Denne studien introduserer eksperimentelle protokoller for en bio-hybrid luktdetekterende drone basert på silkemothantenner. Driften av en eksperimentell elektroantennogramenhet med silkemothantenner presenteres, i tillegg til strukturen til en bio-hybrid drone designet for luktkildelokalisering ved hjelp av spiralbølgealgoritmen.
Små droner med kjemiske eller biosensoriske enheter som kan oppdage luftbårne luktstoffmolekyler har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres anvendbarhet i miljø- og sikkerhetsovervåking og søk-og-redningsoperasjoner. Små droner med kommersielle gasssensorer av metalloksid-halvleder (MOX) er utviklet for lokalisering av luktkilder; Imidlertid har deres sanntids luktdeteksjonsytelse vist seg utilstrekkelig. Biosensing teknologier basert på insekt olfaktoriske systemer viser imidlertid relativt høy følsomhet, selektivitet og sanntidsrespons med hensyn til luktstoffmolekyler sammenlignet med kommersielle MOX-gasssensorer. I slike enheter fungerer utskilte insektantenner som bærbare luktstoffbiosensorelementer og har vist seg å levere utmerket sensingytelse. Denne studien presenterer eksperimentelle protokoller for påvisning av luktmolekyler i luften ved hjelp av en liten autonom biohybriddrone basert på en monterbar elektroantennografi (EAG) enhet som inneholder silkemothantenner.
Vi utviklet en monterbar EAG-enhet, inkludert sensor-/prosesseringsdeler med en Wi-Fi-modul. Enheten var utstyrt med et enkelt sensorkabinett for å forbedre sensorens direktivitet. Dermed ble luktkildelokalisering utført ved hjelp av spiralbølgealgoritmen, som ikke antar en motvindsretning. Den eksperimentelle bio-hybrid luktdetekterende dronen identifiserte forskjeller i luktkonsentrasjon i sanntid i et pseudo-åpent miljø (utenfor en vindtunnel) og lokaliserte kilden. Den utviklede dronen og tilhørende systemet kan fungere som et effektivt luktstoffmolekyldeteksjonsverktøy og en egnet flyplattform for å utvikle lokaliseringsalgoritmer for luktkilder på grunn av den høye programmerbarheten.
Med nylige fremskritt har små droner med kjemiske sensorenheter blitt svært anvendelige i miljø- og sikkerhetsovervåking og gasslekkasjedeteksjon1. Små droner (med en diameter på ca. < 20 cm) med kommersielle gasssensorer av metalloksid-halvleder (MOX) har nylig blitt brukt til å utføre luktkartlegging eller lokalisering av luktkilder2,3,4. Når du søker etter luktkilder, må en drone spore luktplommer; Lokalisering av luktkilder ved hjelp av små droner byr imidlertid på betydelige utfordringer. I et åpent miljø blir lukt-plume strukturer utsatt for kontinuerlige endringer på grunn av miljøfaktorer som vind eller landskap. Derfor bør droner være i stand til å identifisere luktkonsentrasjonsforskjeller og retninger som varierer over tid; Imidlertid er luktdeteksjonsytelsen til kommersielle MOX-sensorer fortsatt utilstrekkelig for sanntidsregistrering på grunn av deres langsomme gjenopprettingstid5.
Bio-hybrid systemer dannet av sammenslåing av biologiske og kunstige systemer er en nylig trend i robotikk og sensorteknologier6, som viser stort potensial for å overgå mulighetene til eksisterende tilnærminger. For eksempel er et biorobotisk sensornettverk utviklet basert på for bruk i katastrofesituasjoner7. Eksperimenter har blitt utført der cyborgrotter med beregningsmessig forbedret intelligens fikk i oppgave å løse labyrinter8. Muligheten for sosial integrasjon av biomimetiske roboter i grupper av ekte sebrafisk har blitt undersøkt9.
Naturligvis har denne trenden blitt brukt til å utvikle luktsensorer10. For eksempel har biosensorer basert på insekt olfaktoriske systemer relativt høy følsomhet og selektivitet med hensyn til ulike luktstoffmolekyler sammenlignet med eksisterende MOX-sensorer11. Langs disse linjene hadde vi tidligere utviklet biohybrid luktende biosensorsystemer basert på en kombinasjon av insektceller som uttrykker insektluktstoffreseptorer og et mikroskop eller elektroniske enheter12,13,14,15,16. Videre kan insektantenner brukes uavhengig som bærbare luktfølsomme sensordeler med høy følsomhet, selektivitet, reproduserbarhet og rask respons / gjenopprettingstid, ved hjelp av elektroantennografi (EAG) -teknikken17,18,19. Flere bakkemobile luktsensorroboter med EAG-teknikker basert på insektantenner20,21,22,23 eller små droner med EAG-enheter24,25 er utviklet for luktdeteksjon og luktkildelokalisering. Disse robotene viste sensorfølsomhet og sensibilitet i sanntid. Imidlertid er mobiliteten til bakkemobile roboter betydelig påvirket av landfunksjoner eller hindringer. I tillegg forblir flyytelsen og luktkildelokaliseringsalgoritmene til eksisterende EAG-baserte biohybriddroner begrenset fordi eksperimentelle forhold har vært begrenset til tethered flight24 eller til å bli utført i en liten vindtunnel25.
Denne studien presenterer eksperimentelle protokoller for luktdeteksjon i luft- og luktkildelokalisering ved hjelp av en nylig utviklet bio-hybrid drone basert på silkemoth (Bombyx mori) antenner26. Vi utviklet en monterbar og lett EAG-enhet med en trådløs kommunikasjonsfunksjon for å oppdage luktresponsene til silkemothantenner. EAG-enheten ble montert på en liten drone, installert i et enkelt sensorkabinett for å forbedre sensorens direkteitet for luktstoffmolekyler og redusere støy. Den bio-hybrid dronen oppdaget reprodusert luftbårne luktstoffmolekyler og identifiserte maksimal luktkonsentrasjon under spiralbevegelser. Videre lokaliserte dronen luktkilden ved hjelp av spiralbølgealgoritmen uten vindretningsinformasjon.
Mobile roboter med EAG-enheter ble først utviklet for 25 år siden20. Siden da har det vært betydelige fremskritt innen robotteknologi, inkludert droner. Tatt i betraktning disse teknologiske fremskrittene, utviklet vi en autonom bio-hybrid drone med en EAG-enhet basert på en silkemothantenne for luktdeteksjon og lokalisering i luft26. Denne studien demonstrerer driften av den utviklede bio-hybrid dronen og sporing av manuell stimulering av lukt i et rom ved hjelp av dronen.
I denne studien, da silkemothantenner ble festet til elektroder ved hjelp av elektrisk ledende gel, bekreftet vi at begge ender av hver antenne tok kontakt med elektrodene sikkert før de begynte EAG-eksperimenter på skrivebordet eller dronen. Hvis signaler fra EAG-enheten plutselig gikk tapt under eksperimentet, ville en forsker først sjekke tilkoblingen av antennen med elektrodene. Det er mulig at dette problemet oppstod med større sannsynlighet i EAG-eksperimentene på dronen. Mens levetiden til isolerte silkemothantenner er mer enn en time, fordi gelen tørket ut på et dusin til dusinvis av minutter i denne studien, kan tilsetningen av gel til antennens tilkoblingspunkter og elektrodene bidra til å gjenopprette signalintensiteter.
Dronen i denne studien var utstyrt med VPS bestående av et kamera og en infrarød sensor for flystabilisering. Vi fant ut at dronen drev under sveving på et glatt gulv, noe som kan ha forårsaket ustabiliteten til en infrarød sensor under dronens kropp. Det samme problemet oppsto noen ganger da eksperimenter ble utført ved hjelp av denne dronen i et rom med et jevnt gulv som fliser. Derfor dekket vi gulvet med hevede tepper (vi brukte firefargede tepper på 45 cm × 45 cm område) og reduserte dronens drift. Denne prosessen ble funnet å være nyttig for flystabilisering av EAG-eksperimentene på dronen.
Betydningen av bio-hybrid dronen i denne studien ligger i dens evne til å gjenkjenne luktkonsentrasjon og sensorretning mot luktkilder. Dronen identifiserte forskjeller i luktkonsentrasjon i sanntid utenfor en vindtunnel og lokaliserte kilden ved hjelp av spiralbølgealgoritmen (figur 8). Spiralbølgealgoritmen29,30 krever ikke plume-location informasjon under plume reacquisition og viser sin relativt høye pålitelighet, sammenlignet med støpealgoritmen, i en lavhastighets laminær strømning30. Denne algoritmen ble tidligere installert på en bakkemobil robot30; Det var imidlertid nødvendig med en vindretningssensor for å gjenkjenne motvindsretningen. Luktinformasjon ble binarisert, og konsentrasjonen ble ignorert.
For den insektantennebaserte dronen er montering av flere sensorer, for eksempel vindsensorer, en avveining mellom nyttelast og batteriforbruk. I tillegg ble luktinformasjon oppdaget av EAG på dronen fortsatt vurdert for å avgjøre om den oversteg enterskel 25. Den bio-hybrid drone design som brukes i denne studien forbedret direkteiteten til EAG-enheten selv og krevde ikke en vindretningssensor. Sensorens direktivitet gjorde det mulig for dronen å bruke luktkonsentrasjonsinformasjon under spiralbevegelser i et rommiljø som var mer komplekst enn en vindtunnel. En sylindrisk innhegning ble brukt i denne studien; Imidlertid bør et mer forseggjort og lett kabinett utvikles i fremtiden.
Imidlertid har bio-hybrid dronen som er undersøkt i denne studien noen begrensninger. For eksempel var avstanden til lokalisering av luktkilde fortsatt begrenset. På grunn av deres høye mobilitet bør droner være i stand til å søke etter lukt over lange avstander i rekkefølge på flere titalls meter. Avstanden oppnådd av insektantennebasert biohybriddrone var imidlertid begrenset til 2 m26, og lokaliseringstester av luktkilder ble utført i en vindtunnel med begrenset plass25. Utvidelse av søkeavstanden er avgjørende for utviklingen av en praktisk luktdetekterende flyplattform.
For langdistansesøk (over 10 m) kreves en høy sensorledningsevne og en effektiv lokaliseringsalgoritme for luktkilder, gitt at fortynning av luktkonsentrasjonen og kompleks fordeling av luktrøret forventes. Stereo sensing ved hjelp av to antenner av samme insekt kan øke direksjonaliteten23. De fleste lokaliseringsforsøk med luktkilder ved hjelp av små droner med kommersielle gasssensorer ble utført ved hjelp av en enkelt sensor, og en EAG-enhetsmatrise på droner ble ikke utført. Derfor må en EAG-enhetsmatrise utvikles for små droner for å øke potensialet for luktmåling. EAG-enhetsmatrisen vil også lette utviklingen av en effektiv lokaliseringsalgoritme for luktkilder, da det gir mulighet for mer presis lokalisering av en luktrør.
Insektantennebaserte biohybrid luktdetekterende droner bidrar til både grunnleggende og anvendt forskning. Fra perspektivet av grunnleggende forskning kan slike droner brukes som testplattformer for å utvikle lokaliseringsalgoritmer for luktkilder. Ulike algoritmer har tidligere blitt foreslått31; Testplattformer ved hjelp av en mobil robot som utførte todimensjonale luktsøk eller kommersielle gasssensorer, har imidlertid vist begrenset ytelse. I disse oppsettene er det vanskelig for foreslåtte algoritmer å demonstrere ytelsen. Biohybridddronen i denne studien viste luktkonsentrasjonsgjenkjenningsevne samt sensor directivity, følsomhet og selektivitet. Derfor viser det stort løfte om installasjon i mer avanserte eller tredimensjonale luktkildelokaliseringsalgoritmer.
Når det gjelder applikasjoner, kan biohybriddroner distribueres på oppdrag som levende dyr kan ha problemer med å nærme seg, for eksempel å oppdage giftige kjemiske / biologiske lekkasjer, eksplosive materialer og søk-og-redningsoperasjoner. For å bruke slike droner på disse oppdragene, må insektantennene oppdage luktstoffmolekyler som er inkludert i målluktkilder. Silkmoth antenner kan genetisk modifiseres32 for å ha potensial til å oppdage luktstoffer andre enn den kvinnelige silkemoth sex feromone; Dermed blir disse applikasjonene nå virkelighet.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet ble delvis støttet av et forskningsstipend fra The Murata Science Foundation. Forfatterne ønsker å anerkjenne Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Japan, for å bistå i utviklingen av droneplattformene og programmering og Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, for å bistå med utformingen av de elektroniske kretsene. Forfatterne vil også takke Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) for å ha gitt renset bombykol; Mr. Takuya Nakajo (RCAST, Universitetet i Tokyo) for støtte til silkerøravl; og Mr. Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) for å støtte oppkjøpet av silkemoth-bilder.
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 |