Denne undersøgelse introducerer eksperimentelle protokoller for en bio-hybrid lugtdetektering drone baseret på silkemoth antenner. Driften af en eksperimentel elektroantennogram enhed med silkmoth antenner præsenteres, ud over strukturen af en bio-hybrid drone designet til lugt kilde lokalisering ved hjælp af spiral-bølge algoritme.
Små droner med kemiske eller biosensorer, der kan detektere luftbårne lugtmolekyler, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres anvendelighed i miljø- og sikkerhedsovervågning og eftersøgnings- og redningsoperationer. Små droner med kommercielle metaloxid-halvleder (MOX) gassensorer er blevet udviklet til lugtkilde lokalisering; Men deres real-time-lugt-detektion ydeevne har vist sig utilstrækkelig. Biosensingteknologier baseret på insekt olfaktoriske systemer udviser imidlertid relativt høj følsomhed, selektivitet og realtidsrespons med hensyn til lugtmolekyler sammenlignet med kommercielle MOX-gassensorer. I sådanne anordninger fungerer udskårne insektantenner som bærbare lugtstofbiosensorelementer og har vist sig at levere fremragende sensingydelse. Denne undersøgelse præsenterer eksperimentelle protokoller for lugtstof-molekyle detektion i luften ved hjælp af en lille autonom bio-hybrid drone baseret på en monterbar elektroantennografi (EAG) enhed indarbejde silkemoth antenner.
Vi udviklede en monterbar EAG-enhed, herunder sensing/ behandling af dele med et Wi-Fi-modul. Enheden var udstyret med et simpelt sensorkabinet for at forbedre sensorens directivity. Således lugt kilde lokalisering blev udført ved hjælp af spiral-bølge algoritme, som ikke antager en vindretningen. Den eksperimentelle bio-hybrid lugt-detektering drone identificeret real-time odorant-koncentration forskelle i en pseudo-åben miljø (uden for en vindtunnel) og lokaliseret kilden. Den udviklede drone og tilhørende system kan tjene som en effektiv lugtstof molekyle-detektion værktøj og en passende flyvning platform til udvikling af lugt kilde lokalisering algoritmer på grund af sin høje programmerbarhed.
Med de seneste fremskridt er små droner med kemiske sensingsenheder blevet yderst anvendelige inden for miljø- og sikkerhedsovervågning og gaslækagedetektering1. Små droner (med en diameter ca. < 20 cm) med kommercielle metaloxid-halvleder (MOX) gassensorer er for nylig blevet anvendt til at udføre lugt kortlægning eller lugt kilde lokalisering2,3,4. Når du søger efter lugtkilder, skal en drone spore lugtfaner; Lugtkilde lokalisering ved hjælp af små droner udgør imidlertid betydelige udfordringer. I et åbent miljø udsættes lugt-plume strukturer for løbende ændringer på grund af miljømæssige faktorer som vind eller landskab. Derfor bør droner være i stand til at identificere lugtstof-koncentration forskelle og retninger varierende over tid; Lugtdetekteringsydelsen for kommercielle MOX-sensorer er dog stadig utilstrækkelig til realtidsføling på grund af deres langsomme restitutionstid5.
Biohybridsystemer dannet ved sammenlægning af biologiske og kunstige systemer er en nylig tendens inden for robotteknologi og sensorteknologier6, der viser et stort potentiale for at overgå mulighederne i eksisterende tilgange. For eksempel er der udviklet et biorobotsensornetværk baseret på kakerlakker til anvendelse i katastrofesituationer7. Forsøg er blevet udført, hvor cyborg rotter med beregningsmæssigt forbedret intelligens fik til opgave at løse labyrinter8. Muligheden for social integration af biomimetiske robotter i grupper af ægte zebrafisk er blevet undersøgt9.
Naturligvis er denne tendens blevet anvendt til at udvikle lugtstof sensorer10. For eksempel har biosensorer baseret på insekt olfaktoriske systemer relativt høj følsomhed og selektivitet med hensyn til forskellige lugtstofmolekyler sammenlignet med eksisterende MOX-sensorer11. I denne retning havde vi tidligere udviklet biohybrid-lugtstofbiosensorsystemer baseret på en kombination af insektceller, der udtrykker insektlugstofreceptorer og et mikroskop eller elektroniske enheder12,13,14,15,16. Desuden kan insektantenner uafhængigt anvendes som bærbare lugtstofsensingdele med høj følsomhed, selektivitet, reproducerbarhed og hurtig respons / restitutionstid ved hjælp af elektroantennografi (EAG) teknik17,18,19. Flere jordmobile lugt-sensing robotter med EAG teknikker baseret på insekt antenner20,21,22,23 eller små droner med EAG enheder24,25 er blevet udviklet til lugt afsløring og lugt kilde lokalisering. Disse robotter viste sensorfølsomhed og realtidsfølende evne. Mobiliteten af jordmobile robotter påvirkes imidlertid betydeligt af landegenskaber eller forhindringer. Derudover er flyveydelses- og lugtkilde lokaliseringsalgoritmerne for eksisterende EAG-baserede biohybriddroner fortsat begrænsede, fordi eksperimentelle forhold har været begrænset til tøjret flyvning24 eller til at blive udført i en lille vindtunnel25.
Denne undersøgelse præsenterer eksperimentelle protokoller for lugtdetektering i luft- og lugtkilde lokalisering ved hjælp af en nyligt udviklet biohybriddrone baseret på silkemoth (Bombyx mori) antenner26. Vi udviklede en monterbar og let EAG-enhed med en trådløs kommunikationsfunktion til at registrere lugtresponsen fra silkemothantenner. EAG-enheden blev monteret på en lille drone, installeret i et simpelt sensorkabinet for at forbedre sensorens anvendelighed for lugtmolekyler og reducere støj. Bio-hybrid drone reroducibly opdaget luftbårne lugtstof molekyler og identificeret den maksimale lugtstof koncentration under spiral bevægelser. Desuden lokaliserede dronen lugtkilden ved hjælp af spiralbølgealgoritmen uden oplysninger i vindretning.
Mobile robotter med EAG-enheder blev først udviklet for 25 år siden20. Siden da har der været betydelige fremskridt inden for robotteknologi, herunder droner. I betragtning af disse teknologiske fremskridt udviklede vi en autonom biohybriddrone med en EAG-enhed baseret på en silkemothantenne til lugtdetektering og lokalisering i luft26. Denne undersøgelse viser driften af den udviklede biohybriddrone og sporingen af manuel stimulering af lugt i et rum ved hjælp af dronen.
I denne undersøgelse, da silkemothantenner var fastgjort til elektroder ved hjælp af elektrisk ledende gel, verificerede vi, at begge ender af hver antenne kom sikkert i kontakt med elektroderne, før vi begyndte EAG-eksperimenter på skrivebordet eller dronen. Hvis signaler fra EAG-enheden pludselig gik tabt under eksperimentet, ville en forsker først kontrollere antennens forbindelse med elektroderne. Det er muligt, at dette problem opstod med en højere sandsynlighed i EAG-eksperimenterne på dronen. Mens levetiden for isolerede silkemothantenner er mere end en time, fordi gelen tørrede ud i et dusin til snesevis af minutter i denne undersøgelse, kan tilsætning af gel til antennernes og elektroderne forbindes med at genoprette signalintensiteter.
Dronen i denne undersøgelse var udstyret med VPS bestående af et kamera og en infrarød sensor til flystabilisering. Vi fandt ud af, at dronen drev under svævende på et glat gulv, hvilket kan have forårsaget ustabiliteten af en infrarød sensor under dronens krop. Det samme problem opstod undertiden, når eksperimenter blev udført ved hjælp af denne drone i et rum med et glat gulv som fliser. Derfor dækkede vi gulvet med hævede tæpper (vi brugte firefarvede tæpper på 45 cm × 45 cm område) og reducerede dronens drift. Denne proces viste sig at være nyttig til flyvestabilisering af EAG-eksperimenterne på dronen.
Betydningen af bio-hybrid drone i denne undersøgelse ligger i dens evne til at genkende lugt koncentration og dens sensor directivity mod lugtkilder. Dronen identificerede forskelle i lugtstofkoncentrationen i realtid uden for en vindtunnel og lokaliserede kilden ved hjælp af spiralbølgealgoritmen (Figur 8). Spiral-surge algoritme29,30 kræver ikke røgfanen-placering oplysninger under plume reacquisition og udviser sin relativt høje pålidelighed, sammenlignet med støbning algoritme, i en lav hastighed laminar flow30. Denne algoritme blev tidligere installeret på en jord mobil robot30; Der var dog behov for en vindretningssensor for at genkende vindretningen. Lugt oplysninger blev binarized, og koncentrationen blev ignoreret.
For den insektantennebaserede drone er montering af yderligere sensorer, såsom vindsensorer, en afvejning mellem nyttelast og batteriforbrug. Derudover blev lugtoplysninger, der blev opdaget af EAG på dronen, stadig vurderet for at afgøre, om de overskred entærskel på 25. Det biohybriddronedesign, der blev anvendt i denne undersøgelse, forbedrede selve EAG-enhedens ledningsevne og krævede ikke en vindretningssensor. Sensorens directivity gjorde det muligt for dronen at udnytte lugtkoncentrationsoplysninger under spiralbevægelser i et rummiljø, der var mere komplekst end en vindtunnel. En cylindrisk kabinet blev brugt i denne undersøgelse; der bør dog udvikles et mere omfattende og let kabinet i fremtiden.
Den biohybriddrone, der undersøges i denne undersøgelse, har dog nogle begrænsninger. For eksempel var afstanden til lugtkilde lokalisering stadig begrænset. På grund af deres høje mobilitet bør droner være i stand til at søge efter lugt over lange afstande i størrelsesordenen flere snese meter. Men afstanden opnået af insektantenne-baserede bio-hybrid drone var begrænset til 2 m26, og lugt kilde lokalisering tests blev udført i en vindtunnel med begrænset plads25. Udvidelse af søgeafstanden er afgørende for udviklingen af en praktisk lugtdetekterende flyveplatform.
For langdistance søgninger (over 10 m), en høj sensor directivity og en effektiv lugt kilde lokalisering algoritme er påkrævet, da fortynding af lugt koncentration og kompleks fordeling af lugtfanen forventes. Stereoføling ved hjælp af to antenner af samme insekt kan øge retningsbestemtheden23. De fleste lugtkilde lokalisering eksperimenter ved hjælp af små droner med kommercielle gas sensorer blev udført ved hjælp af en enkelt sensor, og en EAG enhed array på droner blev ikke gennemført. Derfor skal der udvikles et EAG-enhedssystem til små droner for at øge deres lugt-sensing-applikationspotentiale. EAG-enhedsmatrixen vil også lette udviklingen af en effektiv lugtkilde lokaliseringsalgoritme, da det giver mulighed for mere præcis lokalisering af en lugtfane.
Insektantennebaserede biohybrid-lugtdetekterende droner bidrager til både grundlæggende og anvendt forskning. Fra perspektivet af grundforskning kan sådanne droner bruges som testplatforme til at udvikle lugtkilde lokaliseringsalgoritmer. Der er tidligere foreslået forskellige algoritmer31; Testplatforme ved hjælp af en mobil robot, der udførte todimensionelle lugtsøgninger eller kommercielle gassensorer, har imidlertid udvist begrænset ydeevne. I disse opsætninger er det vanskeligt for foreslåede algoritmer at demonstrere deres ydeevne. Bio-hybrid drone i denne undersøgelse demonstreret lugt koncentration genkendelse evne samt sensor directivity, følsomhed, og selektivitet. Derfor viser det store løfte for installation i mere avancerede eller tredimensionelle lugtkilde lokalisering algoritmer.
Med hensyn til applikationer kan biohybriddroner anvendes på missioner, som levende dyr kan have svært ved at nærme sig, såsom påvisning af giftige kemiske / biologiske lækager, eksplosive materialer og eftersøgnings- og redningsoperationer. For at anvende sådanne droner til disse missioner skal insektantennene opdage lugtstofmolekyler, der er inkluderet i mållugtkilder. Silkmoth antenner kan genetisk modificeres32 for at have potentiale til at opdage lugtstof molekyler andre end den kvindelige silkemoth sex feromon; således er disse applikationer nu ved at blive til virkelighed.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev delvist støttet af en forskningsbevilling fra The Murata Science Foundation. Forfatterne vil gerne anerkende Smart Robotics Co, Ltd, Tokyo, Japan, for at bistå med udviklingen af drone platforme og programmering og Assist Technology Co, Ltd, Osaka, Japan, for at bistå med udformningen af de elektroniske kredsløb. Forfatterne vil også gerne takke Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) for at give renset bombykol; Takuya Nakajo (RCAST, Tokyo Universitet) for støtte til silkedyravl; og Mr. Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) for at støtte erhvervelsen af silkemoth billeder.
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 |