Denna studie introducerar experimentella protokoll för en biohybrid luktdetekteringsdrönare baserad på silkesmothantenner. Driften av en experimentell elektroantennogramenhet med silkesmynningsantenner presenteras, förutom strukturen hos en biohybridddrönare utformad för luktkällalokalisering med hjälp av spiralvågsalgoritmen.
Små drönare med kemiska eller biosensoriska enheter som kan upptäcka luftburna luktmolekyler har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras tillämplighet i miljö- och säkerhetsövervakning och sök- och räddningsoperationer. Små drönare med kommersiella gassensorer för metalloxid-halvledare (MOX) har utvecklats för lokalisering av luktkälla. Deras prestanda för luktdetektering i realtid har dock visat sig vara otillräcklig. Biosensing-teknik baserad på insekts luktsystem uppvisar dock relativt hög känslighet, selektivitet och realtidsrespons när det gäller luktmolekyler jämfört med kommersiella MOX-gassensorer. I sådana enheter fungerar strukna insektsantenner som bärbara luktantennbiosensorelement och har visat sig ge utmärkt avkänningsprestanda. Denna studie presenterar experimentella protokoll för luktmolekyldetektering i luften med hjälp av en liten autonom biohybridddrönare baserad på en monteringsbar elektroantennografi (EAG) enhet som innehåller silkesmynnaner.
Vi utvecklade en monteringsbar EAG-enhet inklusive avkännings-/bearbetningsdelar med en Wi-Fi-modul. Enheten var utrustad med ett enkelt sensorhölje för att förbättra sensorns direkthet. Således utfördes luktkällans lokalisering med hjälp av spiralvågsalgoritmen, som inte antar en motvindsriktning. Den experimentella biohybrid luktdetekerande drönaren identifierade luktkoncentrationsskillnader i realtid i en pseudoöppen miljö (utanför en vindtunnel) och lokaliserade källan. Den utvecklade drönaren och tillhörande system kan fungera som ett effektivt luktmolekyldetekteringsverktyg och en lämplig flygplattform för att utveckla luktkälla lokaliseringsalgoritmer på grund av dess höga programmerbarhet.
Med de senaste framstegen har små drönare med kemiska avkänningsenheter blivit mycket tillämpliga inom miljö- och säkerhetsövervakning och gasläckagedetektering1. Små drönare (med en diameter cirka < 20 cm) med kommersiella gassensorer av metalloxid-halvledare (MOX) har nyligen tillämpats för att utföra luktkartläggning eller luktkällalokalisering 2,3,4. När man söker efter luktkällor måste en drönare spåra luktplommon; Luktkällans lokalisering med hjälp av små drönare innebär dock betydande utmaningar. I en öppen miljö utsätts luktplommonstrukturer för ständiga förändringar på grund av miljöfaktorer som vind eller landskap. Därför bör drönare kunna identifiera luktkoncentrationsskillnader och riktningar som varierar över tiden; Luktdetekteringsprestandan hos kommersiella MOX-sensorer är dock fortfarande otillräcklig för realtidsavkänning på grund av deras långsamma återhämtningstid5.
Biohybridsystem som bildas genom sammanslagning av biologiska och artificiella system är en ny trend inom robotteknik ochsensorteknik 6, vilket visar stor potential för att överträffa kapaciteten hos befintliga metoder. Till exempel har ett biorobotiskt sensornätverk utvecklats baserat på kackerlackor för applicering i katastrofsituationer7. Experiment har utförts där cyborgråttor med beräkningsförbättrad intelligens fick i uppdrag att lösa labyrinter8. Möjligheten till social integration av biomimetiska robotar i grupper av riktiga zebrafiskar har undersökts9.
Naturligtvis har denna trend tillämpats för att utveckla luktsensorer10. Till exempel har biosensorer baserade på insekts luktsystem relativt hög känslighet och selektivitet när det gäller olika luktmolekyler jämfört med befintliga MOX-sensorer11. Längs dessa linjer hade vi tidigare utvecklat biohybrid luktbiosensorsystem baserade på en kombination av insektsceller som uttrycker insektsodorantreceptorer och ett mikroskop eller elektroniska enheter12,13,14,15,16. Dessutom kan insektsantenner självständigt användas som bärbara luktämnen med hög känslighet, selektivitet, reproducerbarhet och snabb respons / återhämtningstid, med hjälp av elektroantennografitekniken (EAG)17,18,19. Flera markmobila luktavkännande robotar med EAG-tekniker baserade på insektsantenner20,21,22,23 eller små drönare med EAG-enheter24,25 har utvecklats för luktdetektering och luktkälla lokalisering. Dessa robotar visade sensorkänslighet och realtidsavkänningsförmåga. Mobilitet hos markmobilrobotar påverkas dock i hög grad av markegenskaper eller hinder. Dessutom är lokaliseringsalgoritmerna för flygprestanda och luktkälla för befintliga EAG-baserade biohybriddrönare fortfarande begränsade eftersom experimentella förhållanden har begränsats till fastbunden flygning24 eller till att utföras i en liten vindtunnel25.
Denna studie presenterar experimentella protokoll för luktdetektering i luft- och luktkällans lokalisering med hjälp av en nyligen utvecklad biohybriddrönare baserad på silke (Bombyx mori)antenner 26. Vi utvecklade en EAG-enhet i monteringsstorlek och lättvikt med en trådlös kommunikationsfunktion för att upptäcka luktsvaren från silkesnaverantenner. EAG-enheten monterades på en liten drönare, installerad i ett enkelt sensorhölje för att förbättra sensorns direktivitet för luktmolekyler och minska bullret. Biohybridddrönaren upptäckte återproduktivt luftburna luktmolekyler och identifierade den maximala luktkoncentrationen under spiralrörelser. Dessutom lokaliserade drönaren luktkällan med hjälp av spiralvågsalgoritmen utan vindriktningsinformation.
Mobila robotar med EAG-enheter utvecklades först för 25 år sedanför 20. Sedan dess har det skett betydande framsteg inom robotteknik, inklusive drönare. Med tanke på dessa tekniska framsteg utvecklade vi en autonom biohybriddrönare med en EAG-enhet baserad på en silkesmönance antenn för luktdetektering och lokalisering i luft26. Denna studie visar hur den utvecklade biohybridrönaren fungerar och spårning av manuell stimulering av lukt i ett rum med hjälp av drönaren.
I denna studie, eftersom silkesnatanener var fästa vid elektroder med elektriskt ledande gel, verifierade vi att båda ändarna av varje antenn tog kontakt med elektroderna säkert innan vi började EAG-experiment på skrivbordet eller dronen. Om signaler från EAG-enheten plötsligt försvann under experimentet skulle en forskare först kontrollera antennens anslutning med elektroderna. Det är möjligt att detta problem uppstod med högre sannolikhet i EAG-experimenten på drönaren. Medan livslängden för isolerade silkesmothantenner är mer än en timme, eftersom gelén torkade ut på ett dussin till dussintals minuter i denna studie, kan tillsats av gel till antennernas anslutningspunkter och elektroderna hjälpa till att återställa signalintensiteterna.
Drönaren i denna studie var utrustad med VPS bestående av en kamera och en infraröd sensor för flygstabilisering. Vi fann att drönaren drev under hovring på ett jämnt golv, vilket kan ha orsakat instabiliteten hos en infraröd sensor under drönarens kropp. Samma problem uppstod ibland när experiment utfördes med denna drönare i ett rum med ett slätt golv som kakel. Därför täckte vi golvet med upphöjda mattor (vi använde fyrafärgade mattor på 45 cm × 45 cm) och minskade drönarens drift. Denna process befanns vara användbar för flygstabilisering av EAG-experimenten på drönaren.
Betydelsen av biohybriddrönaren i denna studie ligger i dess förmåga att känna igen luktkoncentration och dess sensoriska direktitet mot luktkällor. Drönaren identifierade skillnader i luktkoncentration i realtid utanför en vindtunnel och lokaliserade källan med hjälp av spiralvågsalgoritmen (Figur 8). Spiral-surgealgoritmen 29,30 kräver inte plume-plats information under plume reacquisition och uppvisar sin relativt höga tillförlitlighet, jämfört med gjutningsalgoritmen, i ett låghastighets laminärtflöde 30. Denna algoritm installerades tidigare på en markmobilrobot30; En vindriktningssensor krävdes dock för att känna igen motvindsriktningen. Luktinformationen var binariserad och koncentrationen ignorerades.
För den insektsantennbaserade drönaren är montering av ytterligare sensorer, såsom vindsensorer, en kompromiss mellan nyttolast och batteriförbrukning. Dessutom bedömdes luktinformation som EAG upptäckte på drönaren fortfarande för att avgöra om den överskred ett tröskelvärdepå 25. Den biohybriddddrönaredesign som användes i denna studie förbättrade direktiteten hos själva EAG-enheten och krävde ingen vindriktningssensor. Sensorns direkthet gjorde det möjligt för drönaren att använda luktkoncentrationsinformation under spiralrörelser i en rumsmiljö som var mer komplex än en vindtunnel. En cylindrisk inneslutning användes i denna studie. Ett mer genomarbetat och lätt hölje bör dock utvecklas i framtiden.
Den biohybriddrönare som undersökts i denna studie har dock vissa begränsningar. Till exempel var avståndet för luktkällans lokalisering fortfarande begränsat. På grund av deras höga rörlighet bör drönare kunna söka efter lukt över långa avstånd i storleksordningen flera tiotals meter. Avståndet som uppnåddes av den insektsantennbaserade biohybriddrönaren begränsades dock till 2 m26, och luktkälla lokaliseringstester utfördes i en vindtunnel med begränsat utrymme25. Att utöka sökavståndet är avgörande för utvecklingen av en praktisk luktdetekteringsflygplattform.
För långdistanssökningar (över 10 m) krävs en hög sensorisk direktivitet och en effektiv luktkälla lokaliseringsalgoritm, med tanke på att utspädning av luktkoncentrationen och komplex fördelning av luktplommon förväntas. Stereoavkänning med två antenner av samma insekt kan öka riktningen23. De flesta luktkällans lokaliseringsexperiment med små drönare med kommersiella gassensorer utfördes med hjälp av en enda sensor, och en EAG-enhetsmatris på drönare genomfördes inte. Därför måste en EAG-enhetsmatris utvecklas för små drönare för att öka deras luktavkänningsapplikationspotential. EAG-enhetsmatrisen skulle också underlätta utvecklingen av en effektiv luktkälla lokaliseringsalgoritm eftersom det möjliggör mer exakt lokalisering av en luktplym.
Insektsantennbaserade biohybridlutekerande drönare bidrar till både grundläggande och tillämpad forskning. Ur grundforskningens perspektiv kan sådana drönare användas som testplattformar för att utveckla luktkälla lokaliseringsalgoritmer. Olika algoritmer har tidigare föreslagits31; Testplattformar med hjälp av en mobil robot som utförde tvådimensionella luktsökningar eller kommersiella gassensorer har dock uppvisat begränsad prestanda. I dessa inställningar är det svårt för föreslagna algoritmer att visa sina prestanda. Biohybridddrönaren i denna studie visade luktkoncentrationsigenkänningsförmåga samt sensorns direkthet, känslighet och selektivitet. Därför visar det stort löfte för installation i mer avancerade eller tredimensionella luktkälla lokaliseringsalgoritmer.
När det gäller tillämpningar kan biohybriddrönare användas på uppdrag som levande djur kan ha svårt att närma sig, såsom att upptäcka giftiga kemiska/biologiska läckor, explosiva material och sök- och räddningsinsatser. För att tillämpa sådana drönare på dessa uppdrag måste insektsantennen upptäcka luktmolekyler som ingår i målluktkällor. Silkesmynnener kan genetiskt modifieras32 för att ha potential att upptäcka andra luktmolekyler än det kvinnliga silkmoth kön feromon; Dessa tillämpningar håller alltså nu på att bli verklighet.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes delvis av ett forskningsanslag från Murata Science Foundation. Författarna vill erkänna Smart Robotics Co, Ltd, Tokyo, Japan, för att hjälpa till med utvecklingen av drönarplattformarna och programmering och Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, för att hjälpa till med utformningen av de elektroniska kretsarna. Författarna vill också tacka Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) för att ha tillhandahållit renad bombykol; Takuya Nakajo (RCAST, Tokyos universitet) för stöd till silkesmothuppfödning; och Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) för att stödja förvärv av silkesbilder.
Anemometer | MK Scientific, Kanagawa, Japan | DT-8880 | |
Circulator | IRIS OHYAMA Inc., Miyagi, Japan | PCF-SC15T | |
Compact air pump | AS ONE Corporation, Osaka, Japan | NUP-1 | |
Drone | Shenzhen Ryze Tech Co., Ltd. | Tello EDU | Ryze Tech opens Tello EDU SDK. Our source code is based on SDK 2.0 Use Guide. https://dl-cdn.ryzerobotics.com/downloads/Tello/Tello%20SDK%202.0%20User%20Guide.pdf You can download python code (Tello3.py.) and develop flight programs. |
EAG device | Custom made | The EAG device has custom software to measure signals and communicate with the PC. | |
Electrically conductive gel | Parker Laboratories, NJ, USA | Spectra 360 | |
Ethanol | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japan | 057-00456 | |
Flowmeter | KOFLOC, Kyoto, Japan | RK1600R-12-B-Air-20 | |
Gas sensor | Sensirion AG, Stäfa, Switzerland | SGP30 | SGP30 breakout board can be used. You can refer the Adafruit_SGP30 github library. https://github.com/adafruit/Adafruit_SGP30 |
High-sealed storage bottle | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japan | 290-35731 | |
Microcontroller | M5Stack, Shenzhen, China | M5StickC | |
Purebred silkworm diet | Nosan Corporation Life Tech Department, Kanagawa, Japan | Sausage type | |
Silkmoth | Ueda-sansyu, Nagano, Japan | a hybrid strain of Kinshu × Showa | |
Solenoid valve | Takasago Electric, Inc., Nagoya, Japan | YDV-3-1/8 | |
Wi-Fi access point | Yamaha Corporation, Shizuoka, Japan | WLX313 |