Дрон Smellicopter использует антенну моли для обнаружения запахов, превосходя человеческие сенсоры

Кому нужен сенсор от производителя? Исследователи из Университета Вашингтона оснастили свой дрон одним из лучших детекторов природы: антенной моли.

«Природа действительно выбивает наши человеческие запаховые сенсоры из воды», — сказала докторская студентка УВ Мелани Андерсон , ведущий исследователь воздушного средства, известного как «Smellicopter».

"Используя реальную антенну моли с Smellicopter, мы можем получить лучшее из обоих миров: чувствительность биологического организма на роботизированной платформе, где мы можем контролировать его движение".

Живая антенна реагирует на химические сигналы, позволяя летательному средству навигировать к конкретным запахам. Команда добавила антенну-сенсор к открытой ручной коммерчески доступной квадрокоптерной платформе , вместе с двумя задними пластиковыми плавниками для создания сопротивления и удержания дрона ориентированным навстречу ветру.

Андерсон и коллеги-исследователи обратились к Manduca sexta совкам-ястребам для их летательной роботизированной платформы, помещая моль в холодильник для анестезии перед удалением антенны. Антенна, однажды взятая, остается активной до четырех часов, и этот диапазон времени может быть продлен, если хранить дольше в холодильнике, согласно изобретателям UW.

После добавления крошечных проводов в оба конца антенны, исследователи соединили придаток с электрической цепью и измерили средний сигнал от всех клеток антенны. Антенна Smellicopter подхватила цветочные запахи и этанол быстрее — и потратила меньше времени на восстановление — чем человеческий сенсор, протестированный инженерами Smellicopter.

Команда опубликовала свои результаты 1 октября в журнале IOP Bioinspiration & Biomimetics .

Smellicopter использует протокол, известный как «cast and surge» (бросок и рывок), чтобы имитировать, как моль находят конкретные запахи. UW дрон начинает слева на конкретном расстоянии. Если запах не обнаружен, коптер движется вправо на то же расстояние. Как только Smellicopter обнаруживает запах, он меняет свой паттерн полета и движется к объекту интереса.

Больше автономных технологий на Tech Briefs

UCSD подводный робот похож на кальмара.

Увидьте, как Армия тестирует рой дронов.

Посмотрите, как исследователи MIT управляют дронами жестами.

Камера и четыре инфракрасных сенсора направляют БПЛА, измеряя ближайшие препятствия со скоростью десять раз в секунду. Когда объект обнаружен в пределах 8 дюймов от устройства, дрон меняет направление, переходя к следующему этапу «cast-and-surge».

"Так что если Smellicopter бросал влево и теперь есть препятствие слева, он переключится на бросок вправо", — сказала Андерсон. "И если Smellicopter нюхает запах, но есть препятствие перед ним, он будет продолжать бросать влево или вправо, пока не сможет рвануть вперед, когда нет препятствия на его пути".

Во время тестов в исследовательской лаборатории UW, Smellicopter был естественно настроен на полет к запахам, которые моль находят интересными, такими как цветочные запахи. Но исследователи надеются, что будущая работа может иметь антенну моли чувствовать другие запахи, такие как выдыхание диоксида углерода от кого-то, застрявшего под завалами, или химическую подпись невзрывенного устройства.

В коротком Q&A ниже Андерсон объясняет больше о том, как работает Smellicopter, и где он работает лучше всего.

Tech Briefs: Что вдохновило выбор живой антенны? Я представляю, что это было своего рода «out-of-the-box» идеей по сравнению с обычным добавлением сенсора.

Мелани Андерсон: Измерение электрического сигнала от антенны моли (электроантеннограмма) на самом деле уже делалось в исследованиях раньше. Мы просто первые, кто объединил это с небольшой летательной роботизированной платформой! Антенна моли во много раз чувствительнее любого портативного коммерческого химического сенсора. Кроме того, она легковесная и малоэнергопотребляющая — идеальна для платформы маленького дрона.

Tech Briefs: Можете ли вы провести нас через день, когда вы тестировали его впервые? Вы упомянули в видео UW [показанном выше в этой статье], что это было очень волнительно и что вы не были уверены, что это сработает. Чего вы больше всего беспокоились, и как вы чувствовали, как оно выполнилось в тот день?

Мелани Андерсон: Антенна также производит сигналы в ответ на движение и прикосновение (механический стимул) так же как на запах. Были опасения, что вибрации от роторов и дополнительный поток воздуха, который роторы предоставляют над антенной, сделают трудным разделение обнаружений запахов. Но ответ на запах намного сильнее других сигналов, и антенна работает экстремально хорошо в нашей установке на дроне.

Мы все были очень взволнованы, что это сработало в тот день! Ощущение было очень валидирующим, что наши усилия по созданию цепи, считывающей сигналы от антенны и комбинирующей это с дрон-платформой, вылились в такой захватывающий результат!

Tech Briefs: Антенна чувствует химический сигнал — как это затем информирует, куда идет дрон? Он просто следует за сильным запахом? Может ли он как-то дифференцировать между запахами?

Мелани Андерсон: Как монитор сердца показывает электрический сигнал от сердца, когда оно бьется, антенна также производит эти импульсные электрические сигналы, когда она нюхает запах. Мы можем вставить маленькие провода в антенну для измерения этого сигнала и увидеть импульсы в ответ на запах. Эти импульсы информируют дрон о том, когда антенна нюхает что-то. Пока антенна наиболее сильно реагирует на цветочный запах и феромоны моли, но мы работаем над генетической инженерией моли, чтобы она была чувствительна к другим запахам и могла использоваться в сценариях, таких как поиск бомб или нахождение застрявших выживших в катастрофе.

Многие разные животные, которые ищут запахи, делают это, полагаясь на направление ветра. Вы можете безопасно предположить, что если вы нюхаете запах, то источник этого запаха будет навстречу ветру от вас, так как запах переносится ветром. Таким образом, когда вы нюхаете запах, вы путешествуете навстречу ветру, и когда теряете этот запах, вы путешествуете поперек ветра, пока снова не подхватите след. Дрон делает упрощенную версию этого, где он пассивно ориентируется навстречу ветру, используя плавники на задней части дрона как ветровые флюгеры, а затем рвется вперед, когда встречает запах. Когда он больше не нюхает этот запах, он бросает влево и вправо, пока снова не нюхает запах.

Tech Briefs: Что дальше для вас и вашей команды относительно этого исследования?

Мелани Андерсон: Мы очень взволнованы работать над генетической инженерией антенн моли, чтобы сделать Smellicopter полезным в разнообразии сценариев. Для моего докторского исследования я также буду исследовать симуляционно-основанные методы поиска, чтобы Smellicopter мог эффективно летать в разных пространствах, таких как те с препятствиями.

Tech Briefs: Какое применение наиболее волнительно для вас?

Мелани Андерсон: Поиск и спасение очень волнительно. Это применение, где мы сейчас используем природу в виде собак-нюхачей, а не человеческих запаховых сенсоров, чтобы находить застрявших людей. Если мы смогли бы использовать крошечный дрон, или рой крошечных дронов, чтобы находить этих застрявших людей вместо этого, мы бы могли локализовать их быстрее и держать собак-спасателей и спасателей вне опасности.

Прочитайте исследование команды UW в журнале IOP Bioinspiration & Biomimetics .

Что вы думаете о Smellicopter? Поделитесь своими вопросами и комментариями ниже.