Smellicopter-drone gebruikt motte-antenne voor geurdetectie, overtreft mensgemaakte sensoren

Wie heeft een sensor van de fabrikant nodig? Onderzoekers van de University of Washington hebben hun drone uitgerust met een van de natuur's beste detectors: een motte-antenne.

"Natuur blaast onze mensgemaakte geursensoren uit het water," zei UW-doctoraalstudent Melanie Anderson hier, hoofdonderzoeker van het luchtvaartuig bekend als de "Smellicopter."

"Door een echte motte-antenne met Smellicopter te gebruiken, kunnen we het beste van twee werelden krijgen: de gevoeligheid van een biologisch organisme op een robotisch platform waar we de beweging kunnen controleren."

De live antenna reageert op chemische signalen, wat het vliegende voertuig in staat stelt om te navigeren naar specifieke geuren. Het team voegde de antenna-sensor toe aan een open-source handgehouden commercieel beschikbare quadcopter hier platform, samen met twee achterste plastic vinnen om wrijving te creëren en de drone upwind georiënteerd te houden.

Anderson en mede-onderzoekers keerden zich tot Manduca sexta havikmotten voor hun vliegende robotische platform, plaatsten de motten in een koelkast om ze te verdoven voordat ze een antenna verwijderden. De antenna, eenmaal genomen, blijft nog tot vier uur actief, en die tijdsduur kan verlengd worden als langer in de koelkast opgeslagen, volgens de UW-uitvinders.

Na het toevoegen van kleine draden aan beide uiteinden van de antenna, connecteerden de onderzoekers de bijlage aan een elektrisch circuit en maatten het gemiddelde signaal van alle cellen van de antenna. De Smellicopter-antenna 픽t bloemengeuren en ethanol sneller op — en nam minder tijd om te herstellen — dan een mensgemaakte sensor getest door de Smellicopter-ingenieurs.

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

De Smellicopter gebruikt een protocol bekend als "cast and surge" om na te bootsen hoe motten specifieke geuren vinden. De UW-drone start links voor een specifieke afstand. Als een geur niet gedetecteerd wordt, beweegt de copter naar rechts voor dezelfde afstand. Eenmaal de Smellicopter een geur detecteert, verandert het zijn vliegpatroon en beweegt het naar het object van belang.

Meer Autonome Tech op Tech Briefs

Een UCSD-onderwaterrobot lijkt op de inktvis.

Zie hoe het leger zwermende drones test.

Bekijk hoe MIT-onderzoekers drones met gebaren besturen.

Een camera en vier infraroodsensoren leiden de UAV, meten nabijke obstakels met een frequentie van tien keer per seconde. Wanneer een object gedetecteerd wordt binnen 20 cm (8 inch) van het apparaat, verandert de drone van richting door naar de volgende "cast-and-surge" fase te gaan.

"Dus als Smellicopter links aan het casten was en nu is er een obstakel links, schakelt het over naar rechts casten," zei Anderson. "En als Smellicopter een geur ruikt maar er is een obstakel voor het, gaat het door te casten links of rechts tot het kan surgeren vooruit wanneer er geen obstakel in zijn pad is."

Tijdens testen in het UW-onderzoekslab, was Smellicopter van nature afgestemd om te vliegen naar geuren die motten interessant vinden, zoals bloemengeuren. Maar onderzoekers hopen dat toekomstig werk de motte-antenne andere geuren kan laten ruiken, zoals de uitademing van koolstofdioxide van iemand vastgezet onder puin of de chemische handtekening van een onontploft apparaat.

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

Tech Briefs: Wat inspireerde de keuze om een live antenna te gebruiken? Ik verbeeld me dat dit een soort "out-of-the-box" idee was vergeleken met het gewone toevoegen van een sensor.

Melanie Anderson: Het meten van het elektrisch signaal van een motte-antenne (een electroantennogram) is eigenlijk al eerder in onderzoek gedaan. We zijn gewoon de eersten die dat combineren met een klein vliegend robotisch platform! De motte-antenne is vele malen gevoeliger dan elke draagbare commerciële chemische sensor. Bovendien is het lichtgewicht en laag-gevoed — perfect voor een klein drone-platform.

Tech Briefs: Kun je ons meenemen door de dag dat je het voor de eerste keer testte? Je noemde in de UW-video [getoond boven in dit artikel] dat het heel opwindend was en dat je niet zeker was dat het zou werken. Wor je het meest over, en hoe voelde je dat het presteerde die dag?

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

We waren allemaal heel opgewonden dat het die dag werkte! Het voelde heel bevestigend dat onze inspanningen om het circuit te creëren dat de signalen van de antenna leest en dat combineert met het drone-platform uitkwamen om zo'n opwindend resultaat te produceren!

Tech Briefs: De antenna zint een chemisch signaal — hoe informeert dat dan waar de drone naartoe gaat? Volgt het gewoon een sterke geur? Kan het op een of andere manier differentiëren tussen geuren?

Melanie Anderson: Net als een hartsmonitor het elektrisch signaal van het hart toont terwijl het klopt, produceert de antenna ook deze puls-achtige elektrisch signalen wanneer het geur ruikt. We kunnen kleine draden in de antenna inserten om dit signaal te meten en de pulsen in reactie op geur te zien. Deze pulsen informeren de drone van wanneer de antenna iets ruikt. Voor nu reageert de antenna het sterkst op bloemengeur en motte-feromoon, maar we werken aan het genetisch engineeren van de mot zodat het gevoelig zal zijn voor andere geuren en gebruikt kan worden in scenario's zoals het lokaliseren van bommen of het vinden van vastgezette overlevenden in een ramp.

Vele verschillende dieren die geuren zoeken, vertrouwen op de windrichting. Je kunt veilig aannemen dat als je geur ruikt, de bron van die geur upwind van je zal zijn, aangezien de geur door de wind gedragen wordt. Op die manier, als je geur ruikt, reis je upwind, en als je die geur verliest, reis je crosswind tot je de spoor weer oppikt. De drone doet een vereenvoudigde versie van dit waar het passief upwind oriënteert met de vinnen aan de achterkant van de drone als weerkaatjes, en dan surget vooruit wanneer het geur tegenkomt. Wanneer het die geur niet meer ruikt, cast het links en rechts tot het de geur weer ruikt.

Tech Briefs: Wat is er aan de hand voor jou en je team betreffende dit onderzoek?

Melanie Anderson: We zijn heel opgewonden om te werken aan het genetisch engineeren van de motte-antennes om de Smellicopter nuttig te maken in een verscheidenheid aan scenario's. Voor mijn doctoraalonderzoek zal ik ook simulatie-gebaseerde zoekmethoden verkennen zodat de Smellicopter efficiënt kan vliegen in verschillende ruimtes zoals die met obstakels.

Tech Briefs: Welke applicatie is het meest opwindend voor jou?

Melanie Anderson: Zoek-en-redding is heel opwindend. Het is een applicatie waar we momenteel natuur in de vorm van snifferhonden gebruiken in plaats van mensgemaakte geursensoren om vastgezette personen te vinden. Als we in staat waren een kleine drone, of een zwerm van kleine drones, te gebruiken om deze vastgezette personen te vinden in plaats daarvan, zouden we ze sneller kunnen lokaliseren en de zoekhonden en reddingswerkers uit gevaar houden.

Lees het UW-team's onderzoek in het tijdschrift IOP Bioinspiration & Biomimetics hier.

Wat denk je over de Smellicopter? Deel je vragen en reacties hieronder.