RoboBee: A Biomimetic Honeybee Robot for the Analysis of the Dance Communication System

Abstract

This thesis describes the development of a honeybee robot for the analysis of the dance communication system of the European Honeybee (Apis Mellifera). “RoboBee” is a tool to find out which of the stimuli produced by a dancing bee are actual signals, i.e. which stimuli are used by the follower bees to decode the message. This dissertation comprises six chapters: First, I introduce the reader to the motivation, scope and structure of the dissertation. Then I give a detailed overview of the key aspects of this thesis. Beginning with a short introduction to the history of waggle dance research, I report current views on the function and mechanism of the dance. In this chapter I also report on open questions in our understanding of the communication process. In the second part of the chapter, I list similar systems that were used to imitate the waggle dance. I close the chapter by report on more general examples of robots in behavioral biology. The following chapter contains description of own preliminary work and experiments prior to building RoboBee. First, I introduce basic methods for keeping bees under experimental conditions. I outline lighting and video recording setups that I used in many works that follow up in later parts of the thesis. Then I specify details of a computer vision algorithm that I developed to track waggle dances in video recordings. Subsequently, I analyze waggle dance trajectories statistically, concluding with a computer model of the dance motion. In the last section, I describe experimental tests for the characterization of the sensory capabilities of honeybees. After this analytical part, I give a detailed overview of the mechanics, the electronics and the software of RoboBee in a separate chapter. I review shortly a number of prototypes and conclude with the description of the final system. Each stimulus produced by the robot is characterized and compared to reference cues in the natural system. The chapter is concluded by validating and discussing RoboBee’s components. The ultimate validation is a test in live bee colonies. In the summers 2009 – 2011 I conducted experiments to validate different functions of RoboBee. A major part of the thesis is concerned with all experimental field trials conducted in this period of time. The first experiments lead to the identification of materials that are accepted in live honeybee colonies. Following experiments address RoboBee’s ability to recruit trained and naïve bees. Each description of the experiment’s scope and setup is followed by the presentation of the results and their discussion. The final results of the summer 2011 – the following behavior of foragers and their ensuing flights - are statistically evaluated in detail by comparing natural dance following behavior with that shown with RoboBee’s dances. Flight traces of bees that displayed extensive following behavior are presented. I conclude this dissertation by reviewing the achievements and their implications. I discuss the significance of the results and give an outlook of future experiments and possible improvements to RoboBee.

Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung einer robotischen Honigbiene für die Analyse des Tanzkommunikationssystems der europäischen Hopnigbiene (Apis Mellifera). Mit “RoboBee” ist es möglich herauszufinden, welche der im Tanz produzierten Stimuli essenzielle Komponenten, d.h. Signale im Kommunikationsprozess, sind. Diese Dissertation besteht aus sechs Kapiteln. Zuerst wird der Leser in die Motivation, den Umfang und die Struktur der Arbeit eingeführt. Folgend gebe ich einen detaillierten Überblick der wichtigsten Grundlagen dieser Thesis. Zuerst gebe ich eine kurze Einleitung in den Bienentanz und die wichtigsten Forschungsergebnisse – inklusive der neuesten Sichtweisen zu den Mechanismen und der Funktion des Tanzes. Hiernach führe ich die offenen Fragen in unserem Verständnis dieses Kommunikationsprozesses auf. Eine robotische Imitation des Tanzes könnte diese Fragen helfen zu beantworten. Bevor ich nachfolgend eigene Arbeiten beschreibe, gehe ich im letzten Teil des zweiten Kapitels auf Vorarbeiten ein, die jene künstliche Reproduktion des Tanzes zum Ziel hatten. Schließlich gebe ich Beispiele von biomimetischen Robotern, die in anderen Tiersystemen eingesetzt wurden. Kapitel 3 enthält Vorarbeiten, die zur Konstruktion des Bienenroboters nötig waren und wiederkehrende Methoden, die im folgenden Kapitel referenziert werden. Hierzu gehören Methoden zur Bienenhaltung in Beobachtungsstöcken und die Aufnahme von Tierverhalten mittels Videokameras und zugehöriger Beleuchtung. Zur Untersuchung dieser Videoaufnahmen stelle ich ein Trackingsystem vor, um Individuen im Stock zu verfolgen. Nachfolgend analysiere ich Tanztrajektorien zur Bestimmung von Rahmeneigenschaften des robotischen Systems. Als zentrales Resultat dieser statistischen Analyse, beschreibe ich ein Bewegungsmodell, das die wichtigsten Eigenschaften von Bienentänzen wiederzugeben in der Lage ist. Im letzten Teil dieses Kapitels beschreibe ich experimentelle Tests zur Charakterisierung der sensorischen Fähigkeiten von Bienen. Diesem analytischen Teil schließt sich ein Kapitel an in dem die „RoboBee“ en detail beschrieben wird. Ich gebe einen Überblick über alle relevanten Teile: Mechanik, Elektronik und Software. Hierzu stelle ich zunächst eine Reihe von Prototypen vor, um den Entwicklungsprozess zu illustrieren. Das finale System wird abschließend reich bebildert beschrieben. Jeder vom System reproduzierbare Stimulus wird charakterisiert und mit Referenzstimuli verglichen. Dieses Kapitel wird mit einer Validierung und einer Diskussion von RoboBees Fähigkeiten abgeschlossen. Die ultimative Validierung ist der robotische Tanz im Bienenstock. In den Sommermonaten der Jahre 2009 bis 2011 führte ich Experimente zur Validierung der Funktion von RoboBee durch. Im fünften Kapitel beschreibe ich diese Experimente – angefangen von Tests zur Akzeptanz von verschiedenen Körpermaterialien, bis zum Test auf Rekruitierung von erfahrenen oder auch naiven Bienen. Die Ergebnisse des Sommers 2011 werden hier eingehender untersucht. Die RoboBee konnte das sogenannte Folgeverhalten auslösen und es war auch möglich anschließende Flüge dieser Folgebienen mit einem Radarsystem zu verfolgen. Ich vergleiche im letzten Teil dieses Kapitel die Bewegungsdynamik von Folgebienen in natürlichen und robotischen Tänzen. Im sechsen Kapitel fasse ich die wichtigsten Errungenschaften dieser Dissertation zusammen und gehe auch auf die Implikationen der Ergebnisse ein. Abschließend gebe ich eine Reihe von Verbesserungsvorschlägen für neue Versionen von RoboBee und beschreibe zukünftige Experimente mittels derer mehr über das Tanzkommunikationssystem der Honigbienen herausgefunden werden kann.