Biomimetic set up for chemosensor-based machine olfaction

Abstract

The thesis falls into the field of machine olfaction and accompanying experimental set up for chemical gas sensing. Perhaps more than any other sensory modality, chemical sensing faces with major technical and conceptual challenges: low specificity, slow response time, long term instability, power consumption, portability, coding capacity and robustness. There is an important trend of the last decade pushing artificial olfaction to mimic the biological olfaction system of insects and mammalians. The designers of machine olfaction devices take inspiration from the biological olfactory system, because animals effortlessly accomplish some of the unsolved problems in machine olfaction. In a remarkable example of an olfactory guided behavior, male moths navigate over large distances in order to locate calling females by detecting pheromone signals both rapidly and robustly. The biomimetic chemical sensing aims to identify the key blocks in the olfactory pathways at all levels from the olfactory receptors to the central nervous system, and simulate to some extent the operation of these blocks, that would allow to approach the sensing performance known in biological olfactory system of animals. New technical requirements arise to the hardware and software equipment used in such machine olfaction experiments. This work explores the bioinspired approach to machine olfaction in depth on the technological side. At the hardware level, the embedded computer is assembled, being the core part of the experimental set up. The embedded computer is interfaced with two main biomimetic modules designed by the collaborators: a large-scale sensor array for emulation of the population of the olfactory receptors, and a mobile robotic platform for autonomous experiments for guiding olfactory behaviour. At the software level, the software development kit is designed to host the neuromorphic models of the collaborators for processing the sensory inputs as in the olfactory pathway. Virtualization of the set up was one of the key engineering solutions in the development. Being a device, the set up is transformed to a virtual system for running data simulations, where the software environment is essentially the same, and the real sensors are replaced by the virtual sensors coming from especially designed data simulation tool. The proposed abstraction of the set up results in an ecosystem containing both the models of the olfactory system and the virtual array. This ecosystem can loaded from the developed system image on any personal computer. In addition to the engineering products released in the course of thesis, the scientific results have been published in three journal articles, two book chapters and conference proceedings. The main results on validation of the set up under the scenario of robotic odour localization are reported in the book chapters. The series of three journal articles covers the work on the data simulation tool for machine olfaction: the novel model of drift, the models to simulate the sensor array data based on the reference data set, and the parametrized simulated data and benchmarks proposed for the first time in machine olfaction. This thesis ends up with a solid foundation for the research in biomimetic simulations and algorithms on machine olfaction. The results achieved in the thesis are expected to give rise to new bioinspired applications in machine olfaction, which could have a significant impact in the biomedical engineering research area.

Esta tesis se enmarca en el campo de bioingeneria, mas particularmente en la configuración de un sistema experimental de sensores de gases químicos. Quizás más que en cualquier otra modalidad de sensores, los sensores químicos representan un conjunto de retos técnicos y conceptuales ya que deben lidiar con problemas como su baja especificidad, su respuesta temporal lenta, su inestabilidad a largo plazo, su alto consumo enérgético, su portabilidad, así como la necesidad de un sistema de datos y código robusto. En la última década, se ha observado una clara tendencia por parte de los sistemas de machine olfaction hacia la imitación del sistema de olfato biológico de insectos y mamíferos. Los diseñadores de estos sistemas se inspiran del sistema olfativo biológico, ya que los animales cumplen, sin apenas esfuerzo, algunos de los escenarios no resueltos en machine olfaction. Por ejemplo, las polillas machos recorren largas distancias para localizar las polillas hembra, detectando sus feromonas de forma rápida y robusta. La detección biomimética de gases químicos tiene como objetivo identificar los elementos fundamentales de la vía olfativa a todos los niveles, desde los receptores olfativos hasta el sistema nervioso central, y simular, en cierta medida, el funcionamiento de estos bloques, lo que permitiría acercar el rendimiento de la detección al rendimiento de los sistemas olfativos conociodos de los animales. Esto conlleva nuevos requisitos técnicos a nivel de equipamiento tanto hardware como software utilizado en este tipo de experimentos de machine olfaction. Este trabajo propone un enfoque bioinspirado para la ¿machine olfaction¿, explorando a fondo la parte tecnológica. A nivel hardware, un ordenador embedido se ha ensamblado, siendo ésta la parte más importante de la configuración experimental. Este ordenador integrado está interconectado con dos módulos principales biomiméticos diseñados por los colaboradores: una matriz de sensores a gran escala y una plataforma móvil robotizada para experimentos autónomos. A nivel software, el kit de desarrollo software se ha diseñado para recoger los modelos neuromórficos de los colaboradores para el procesamiento de las entradas sensoriales como en la vía olfativa biológica. La virtualización del sistema fue una de las soluciones ingenieriles clave de su desarrollo. Al ser un dispositivo, el sistema se ha transformado en un sistema virtual para la realización de simulaciones de datos, donde el entorno de software es esencialmente el mismo, y donde los sensores reales se sustituyen por sensores virtuales procedentes de una herramienta de simulación de datos especialmente diseñada. La propuesta de abstracción del sistema resulta en un ecosistema que contiene tanto los modelos del sistema olfativo como la matriz virtual . Este ecosistema se puede cargar en cualquier ordenador personal como una imagen del sistema desarrollado. Además de los productos de ingeniería entregados en esta tesis, los resultados científicos se han publicado en tres artículos en revistas, dos capítulos de libros y los proceedings de dos conferencias internacionales. Los principales resultados en la validación del sistema en el escenario de la localización robótica de olores se presentan en los capítulos del libro. Los tres artículos de revistas abarcan el trabajo en la herramienta de simulación de datos para machine olfaction: el novedoso modelo de drift, los modelos para simular la matriz de sensores basado en el conjunto de datos de referencia, y la parametrización de los datos simulados y los benchmarks propuestos por primera vez en machine olfaction. Esta tesis ofrece una base sólida para la investigación en simulaciones biomiméticas y en algoritmos en machine olfaction. Los resultados obtenidos en la tesis pretenden dar lugar a nuevas aplicaciones bioinspiradas en machine olfaction, lo que podría tener un significativo impacto en el área de investigación en ingeniería biomédica