Moth-geïnspireerde antenne laat drones gevaren detecteren en overlevenden lokaliseren in rampgebieden

Een voordeel van drones is dat ze plekken kunnen bereiken waar mensen niet kunnen, inclusief gebieden die te gevaarlijk kunnen zijn zoals instabiele structuren na een natuurramp of een regio met onontplofte sprengstoffen.

Onderzoekers zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van apparaten die deze situaties kunnen navigeren door chemicaliën in de lucht te 'ruiken' om rampoverlevenden, gaslekken, explosieven, en meer te lokaliseren. Maar de meeste sensoren zijn niet gevoelig of snel genoeg om specifieke geuren te vinden en te verwerken tijdens het vliegen door de plakkerige geurpluimen die deze bronnen creëren.

Een team heeft Smellicopter ontwikkeld, een autonoom drone die een live antenne van een mot gebruikt om naar geuren te navigeren. Het kan ook obstakels voelen en vermijden tijdens het reizen door de lucht. Door een echte motenantenne te gebruiken, konden onderzoekers het beste van twee werelden krijgen: de gevoeligheid van een biologisch organisme op een robotisch platform waarop beweging gecontroleerd kan worden.

Lees een Q&A met de uitvinder

"Natuur blaatst onze door mensen gemaakte geursensoren uit het water," zei UW-doctorand Melanie Anderson.

De mot gebruikt zijn antennen om chemicaliën in zijn omgeving te voelen en te navigeren naar bronnen van voedsel of potentiële partners. Het team gebruikte antennen van de Manduca sexta havikmot voor Smellicopter. Onderzoekers zetten motten in de koelkast om ze te verdoven voordat ze een antenne verwijderden. Eenmaal gescheiden van de levende mot, blijft de antenne biologisch en chemisch actief tot vier uur. Die tijdsspanne kan verlengd worden door antennen in de koelkast op te slaan.

Door minuscule draden in beide uiteinden van de antenne toe te voegen, konden de onderzoekers het verbinden met een elektrisch circuit en het gemiddelde signaal van alle cellen in de antenne meten. Het team vergelijk het dan met een typische door mensen gemaakte sensor door beide aan het ene uiteinde van een windtunnel te plaatsen en geuren waaien waaraan beide sensoren zouden reageren: een bloemgeur en ethanol, een type alcohol. De antenne reageerde sneller en nam minder tijd om te herstellen tussen puffs.

Om Smellicopter te creëren, voegde het team de antennesensor toe aan een open-source, handgehouden, commercieel beschikbare quadcopter-droneplatform dat gebruikers in staat stelt speciale features toe te voegen. De onderzoekers voegden ook twee plastic vinnen aan de achterkant van de drone toe om sleept te creëren om het constant upwind georiënteerd te helpen.

Smellicopter heeft geen hulp van de onderzoekers nodig om naar geuren te zoeken. Het team creëerde een "cast and surge" protocol voor de drone dat namiddelt hoe motten naar geuren zoeken. Smellicopter begint zijn zoektocht door naar links te bewegen voor een specifieke afstand. Als niets een specifieke geurdrempel passeert, beweegt Smellicopter dan naar rechts voor dezelfde afstand. Eenmaal het een geur detecteert, verandert het zijn vliegpatroen om er naar toe te surgen.

Een ander voordeel van Smellicopter is dat het geen GPS nodig heeft. In plaats daarvan gebruikt het een camera om zijn omgeving te surveilleren, vergelijkbaar met hoe insecten hun ogen gebruiken. Dit maakt Smellicopter goed geschikt voor het verkennen van binnen- of ondergrondse ruimtes zoals mijnen of pijpen.

Tijdens tests in het lab, was Smellicopter natureel afgestemd om naar geuren te vliegen die motten interessant vinden zoals bloemenreuken. Maar onderzoekers hopen dat toekomstig werk de motenantenne andere geuren kan laten ruiken zoals de uitademing van koolstofdioxide van iemand vastgeklonken onder puin of de chemische handtekening van een onontplofd apparaat.