Vraag en antwoord:Smellicopter gebruikt een Live Moth-antenne om geuren op te sporen

Wie heeft een sensor van de fabrikant nodig? Onderzoekers van de Universiteit van Washington hebben hun drone uitgerust met een van de beste detectoren van de natuur:een motantenne.

"De natuur blaast onze door mensen gemaakte geursensoren echt uit het water", zegt UW-promovendus Melanie Anderson , hoofdonderzoeker van het luchtvaartuig dat bekend staat als de 'Smellicopter'.

"Door een echte mottenantenne met Smellicopter te gebruiken, kunnen we het beste van twee werelden krijgen:de gevoeligheid van een biologisch organisme op een robotplatform waar we de beweging ervan kunnen regelen."

De live antenne reageert op chemische signalen, waardoor het vliegende voertuig naar specifieke geuren kan navigeren. Het team heeft de antennesensor toegevoegd aan een open-source, in de handel verkrijgbare quadcopter platform, samen met twee plastic vinnen aan de achterkant om weerstand te creëren en de drone tegen de wind in gericht te houden.

Anderson en collega-onderzoekers wendden zich tot Manduca sexta hawkmoths voor hun vliegende robotplatform, waarbij ze de motten in een koelkast plaatsen om ze te verdoven voordat ze een antenne verwijderen. De antenne blijft, eenmaal genomen, nog steeds maximaal vier uur actief, en dat bereik kan worden verlengd als het langer in de koelkast wordt bewaard, volgens de UW-uitvinders.

Na het toevoegen van kleine draden aan beide uiteinden van de antenne, sloten de onderzoekers het aanhangsel aan op een elektrisch circuit en maten het gemiddelde signaal van alle antennecellen. De Smellicopter-antenne pikte bloemengeuren en ethanol sneller op — en kostte minder tijd om te herstellen — dan een door mensen gemaakte sensor die werd getest door de Smellicopter-ingenieurs.

Het team publiceerde hun resultaten op 1 oktober in het tijdschrift IOP Bioinspiration &Biomimetics .

De Smellicopter gebruikt een protocol dat bekend staat als "cast and surge" om na te bootsen hoe motten specifieke geuren vinden. De UW-drone begint links voor een bepaalde afstand. Als er geen geur wordt gedetecteerd, beweegt de helikopter dezelfde afstand naar rechts. Zodra de Smellicopter een geur detecteert, verandert hij zijn vliegpatroon en beweegt hij zich naar het object van interesse.

Meer autonome technologie op technische briefings

Een UCSD onderwaterrobot lijkt op de inktvis.

Zie hoe het leger zwermende drones test.

Kijk hoe MIT-onderzoekers drones besturen met gebaren.

Een camera en vier infraroodsensoren begeleiden de UAV en meten obstakels in de buurt met een snelheid van tien keer per seconde. Wanneer een object binnen 20 cm van het apparaat wordt gedetecteerd, verandert de drone van richting door naar de volgende "cast-and-surge"-fase te gaan.

"Dus als Smellicopter links wierp en nu is er een obstakel aan de linkerkant, dan zal het overschakelen naar rechts werpen," zei Anderson. "En als Smellicopter een geur ruikt maar er een obstakel voor staat, blijft hij naar links of rechts werpen totdat hij naar voren kan springen als er geen obstakel op zijn pad is."

Tijdens tests in het onderzoekslaboratorium van UW was Smellicopter van nature afgesteld om te vliegen naar geuren die motten interessant vinden, zoals bloemengeuren. Maar onderzoekers hopen dat toekomstig werk de motantenne andere geuren kan laten voelen, zoals het uitademen van koolstofdioxide van iemand die vastzit onder puin of de chemische handtekening van een niet-ontploft apparaat.

In een korte Q&A hieronder legt Anderson meer uit over hoe de Smellicopter werkt en waar deze het beste werkt.

Tech Briefs :Wat inspireerde de keuze om een ​​live antenne te gebruiken? Ik kan me voorstellen dat dit een soort "out-of-the-box" idee was in vergelijking met de gebruikelijke toevoeging van een sensor.

Melanie Anderson: Het meten van het elektrische signaal van een mottenantenne (een elektroantennogram) is eigenlijk al eerder in onderzoek gedaan. We zijn nog maar de eersten die dat combineren met een klein vliegend robotplatform! De mottenantenne is vele malen gevoeliger dan welke draagbare commerciële chemische sensor dan ook. Bovendien is hij licht van gewicht en heeft hij weinig vermogen — perfect voor een klein droneplatform.

Tech Briefs :Kun je ons meenemen op de dag dat je hem voor het eerst hebt getest? U noemde in de UW-video [hierboven weergegeven in dit artikel] dat het heel spannend was en dat je niet zeker wist of het zou lukken. Waar maakte je je het meest zorgen over en hoe vond je dat het die dag presteerde?

Melanie Anderson: De antenne produceert ook signalen als reactie op beweging en aanraking (mechanische stimulus) en geur. Er waren zorgen dat de trillingen van de rotors en de extra luchtstroom die de rotors over de antenne leveren, het moeilijk zouden maken om geurdetecties te scheiden. Maar de reactie op geur is veel sterker dan de andere signalen, en de antenne werkt buitengewoon goed in onze opstelling op de drone.

We waren allemaal erg enthousiast dat het die dag werkte! Het voelde heel valide dat onze inspanningen om het circuit te creëren dat de signalen van de antenne leest en dat te combineren met het drone-platform, uitpakten om zo'n opwindend resultaat te produceren!

Tech Briefs :De antenne neemt een chemisch signaal waar – hoe informeert dat dan waar de drone heen gaat? Volgt het alleen een sterke geur? Kan het op de een of andere manier onderscheid maken tussen geuren?

Melanie Anderson: Zoals een hartmonitor het elektrische signaal van het hart laat zien terwijl het klopt, zo produceert de antenne deze pulsachtige elektrische signalen ook wanneer het een geur ruikt. We kunnen kleine draadjes in de antenne steken om dit signaal te meten en de pulsen te zien als reactie op geur. Deze pulsen informeren de drone wanneer de antenne iets ruikt. Voorlopig reageert de antenne het sterkst op bloemengeur en mottenferomoon, maar we werken aan genetische manipulatie van de mot, zodat deze gevoelig is voor andere geuren en kan worden gebruikt in scenario's zoals het lokaliseren van bommen of het vinden van gevangen overlevenden bij een ramp .

Veel verschillende dieren die geuren zoeken, doen dit door te vertrouwen op de windrichting. Je kunt er gerust van uitgaan dat als je geur ruikt, de bron van die geur tegen de wind in ligt, aangezien de geur door de wind wordt meegevoerd. Op deze manier, als je geur ruikt, dan reis je tegen de wind in, en als je die geur verliest, dan reis je tegen de wind totdat je het pad weer oppakt. De drone doet een vereenvoudigde versie hiervan, waarbij hij zich passief tegen de wind oriënteert met behulp van de vinnen aan de achterkant van de drone, zoals windwijzers, en dan naar voren springt wanneer hij geur tegenkomt. Als het die geur niet meer ruikt, dan werpt het naar links en rechts totdat het de geur weer ruikt.

Tech Briefs :Wat biedt de toekomst voor u en uw team met betrekking tot dit onderzoek?

Melanie Anderson: We zijn erg enthousiast om te werken aan de genetische manipulatie van de motantennes om de Smellicopter bruikbaar te maken in verschillende scenario's. Voor mijn promotieonderzoek zal ik ook op simulatie gebaseerde zoekmethoden verkennen, zodat de Smellicopter efficiënt kan vliegen in verschillende ruimtes, zoals die met obstakels.

Tech Briefs :Welke toepassing vind je het spannendst?

Melanie Anderson: Zoeken en redden is erg spannend. Het is een toepassing waarbij we momenteel de natuur gebruiken in de vorm van speurhonden in plaats van kunstmatige geursensoren om gevangen personen te vinden. Als we in plaats daarvan een kleine drone of een zwerm kleine drones zouden kunnen gebruiken om deze gevangen personen te vinden, zouden we ze sneller kunnen lokaliseren en de speurhonden en reddingswerkers buiten gevaar houden.

Lees het onderzoek van het UW-team in het tijdschrift IOP Bioinspiration &Biomimetics .

Wat vind je van de Smellicopter? Deel uw vragen en opmerkingen hieronder.