Summary
Deze studie introduceert experimentele protocollen voor een bio-hybride geurdetectiedrone op basis van silkmoth-antennes. De werking van een experimenteel elektroantennogramapparaat met zijdemoth-antennes wordt gepresenteerd, naast de structuur van een bio-hybride drone die is ontworpen voor lokalisatie van geurbronnen met behulp van het spiraal-surge-algoritme.
Abstract
Kleine drones met chemische of biosensorapparaten die geurmoleculen in de lucht kunnen detecteren, hebben veel aandacht getrokken vanwege hun toepasbaarheid in milieu- en veiligheidsmonitoring en zoek- en reddingsoperaties. Kleine drones met commerciële metaaloxide-halfgeleider (MOX) gassensoren zijn ontwikkeld voor lokalisatie van geurbronnen; hun real-time-geurdetectieprestaties zijn echter ontoereikend gebleken. Biosensing-technologieën op basis van insectenreuksystemen vertonen echter een relatief hoge gevoeligheid, selectiviteit en real-time respons met betrekking tot geurmoleculen in vergelijking met commerciële MOX-gassensoren. In dergelijke apparaten functioneren weggesneden insectenantennes als draagbare geurstofbiosensorelementen en is gebleken dat ze uitstekende detectieprestaties leveren. Deze studie presenteert experimentele protocollen voor geurstof-molecuuldetectie in de lucht met behulp van een kleine autonome bio-hybride drone op basis van een monteerbare elektroantennografie (EAG) -apparaat met zijdemoth-antennes.
We ontwikkelden een monteerbaar EAG-apparaat inclusief sensor- / verwerkingsonderdelen met een Wi-Fi-module. Het apparaat was uitgerust met een eenvoudige sensorbehuizing om de sensorgeleiding te verbeteren. Zo werd de lokalisatie van geurbronnen uitgevoerd met behulp van het spiraal-surge-algoritme, dat geen upwind-richting aanneemt. De experimentele bio-hybride geurdetectiedrone identificeerde real-time geurconcentratieverschillen in een pseudo-open omgeving (buiten een windtunnel) en lokaliseerde de bron. De ontwikkelde drone en het bijbehorende systeem kunnen dienen als een efficiënt hulpmiddel voor het detecteren van geurmoleculen en een geschikt vluchtplatform voor het ontwikkelen van lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen vanwege de hoge programmeerbaarheid.
Introduction
Met recente ontwikkelingen zijn kleine drones met chemische detectieapparatuur zeer toepasbaar geworden in milieu- en beveiligingsmonitoring en gaslekdetectie1. Kleine drones (met een diameter van ongeveer < 20 cm) met commerciële metaaloxide-halfgeleider (MOX) gassensoren zijn onlangs toegepast voor het uitvoeren van geurkartering of geurbronlokalisatie2,3,4. Bij het zoeken naar geurbronnen moet een drone geurpluimen traceren; lokalisatie van geurbronnen met behulp van kleine drones vormt echter aanzienlijke uitdagingen. In een open omgeving worden geurpluimstructuren voortdurend veranderd als gevolg van omgevingsfactoren zoals de wind of het landschap. Daarom moeten drones in staat zijn om geurconcentratieverschillen en richtingen te identificeren die in de loop van de tijd variëren; de geurdetectieprestaties van commerciële MOX-sensoren zijn echter nog steeds ontoereikend voor real-time detectie vanwege hun langzame hersteltijd5.
Bio-hybride systemen gevormd door de samensmelting van biologische en kunstmatige systemen zijn een recente trend in robotica en sensortechnologieën6, die een groot potentieel laten zien om de mogelijkheden van bestaande benaderingen te overtreffen. Zo is er op basis van kakkerlakken een biorobotisch sensornetwerk ontwikkeld voor toepassing in rampsituaties7. Er zijn experimenten uitgevoerd waarbij cyborgratten met computationeel verbeterde intelligentie werden belast met het oplossen van doolhoven8. De mogelijkheid van sociale integratie van biomimetische robots in groepen echte zebravissen is onderzocht9.
Uiteraard is deze trend toegepast om geursensoren te ontwikkelen10. Biosensoren op basis van insectenreuksystemen hebben bijvoorbeeld een relatief hoge gevoeligheid en selectiviteit met betrekking tot verschillende geurmoleculen in vergelijking met bestaande MOX-sensoren11. Langs deze lijnen hadden we eerder bio-hybride odorant biosensorsystemen ontwikkeld op basis van een combinatie van insectencellen die insectengeurreceptoren tot expressie brengen en een microscoop of elektronische apparaten12,13,14,15,16. Bovendien kunnen insectenantennes onafhankelijk worden gebruikt als draagbare geurstofgevoelige delen met een hoge gevoeligheid, selectiviteit, reproduceerbaarheid en snelle respons / hersteltijd, met behulp van de elektroantennografie (EAG) -techniek17,18,19. Verschillende grondmobiele geurgevoelige robots met EAG-technieken op basis van insectenantennes20,21,22,23 of kleine drones met EAG-apparaten24,25 zijn ontwikkeld voor geurdetectie en lokalisatie van geurbronnen. Deze robots vertoonden sensorgevoeligheid en real-time detectievermogen. De mobiliteit van grondmobiele robots wordt echter aanzienlijk beïnvloed door landkenmerken of obstakels. Bovendien blijven de vluchtprestaties en geurbronlokalisatiealgoritmen van bestaande op EAG gebaseerde biohybride drones beperkt omdat experimentele omstandigheden beperkt zijn gebleven tot vastgebonden vlucht24 of tot uitgevoerd in een kleine windtunnel25.
Deze studie presenteert experimentele protocollen voor geurdetectie in de lucht en lokalisatie van geurbronnen met behulp van een recent ontwikkelde bio-hybride drone op basis van silkmoth(Bombyx mori)antennes26. We ontwikkelden een monteerbaar en lichtgewicht EAG-apparaat met een draadloze communicatiefunctie om de geurreacties van zijdemoth-antennes te detecteren. Het EAG-apparaat werd gemonteerd op een kleine drone, geïnstalleerd in een eenvoudige sensorbehuizing om de sensorgeleiding voor geurmoleculen te verbeteren en ruis te verminderen. De bio-hybride drone detecteerde reproduceerbaar geurmoleculen in de lucht en identificeerde de maximale geurstofconcentratie tijdens spiraalbewegingen. Bovendien lokaliseerde de drone de geurbron met behulp van het spiraal-overspanningsalgoritme zonder windrichtinginformatie.
Protocol
1. Insecten
OPMERKING: Eieren van zijdemotten(Bombyx mori)werden gekocht van een binnenlands bedrijf. De silkmoths werden gebruikt binnen 10 dagen nadat ze uit cocons waren gekomen. Bereid drie volwassen zijdemotten voor de experimenten voor (zes antennes); dit aantal kan echter worden gewijzigd afhankelijk van de experimentele vereisten.
- Incubeer zijdemoeieren bij 15 °C gedurende 24 uur en verplaats ze naar een broedmachine bij 25 °C.
OPMERKING: De zijderupsen komen ongeveer 10-13 dagen later uit. - Leg de zijderupsen op gesneden kunstmatige diëten in een plastic schaal.
- Na 20-25 dagen van zijderupsen verhogen, observeer de vorming en verpopping van de zijderupsen in cocons.
OPMERKING: De teeltprocedure omvat voeren, verwijderen en ontsmetten in een omgeving bij 25 °C. De silkmoths komen na 10-15 dagen uit de cocons.
2. Geurstoffen en geurbronpreparaat
OPMERKING: De belangrijkste component van het vrouwelijke zijdemoth geslacht feromoon, bombykol ((E, Z) -10, 12-hexadecadien-1-ol), werd gebruikt als een geurbron om stimulatie uit te voeren. Een mannelijke silkmoth(Figuur 1A)kan bombykol27identificeren en onderscheiden, en geïsoleerde silkmoth-antennes zijn gebruikt om te fungeren als een biosensor op mobiele robots20,21,22. Bewaar gezuiverde bombykol opgelost in hexaan (10 mg/ml) in een hoog verzegelde bewaarfles in een koelkast bij −30 °C.
- Steek een spuit in de hoog verzegelde opslagfles en trek 2 ml 2000 ng/μl bombykol op en injecteer deze in een injectieflacon van 10 ml. Voeg vervolgens 8 ml hexaan toe aan dezelfde injectieflacon.
- Verdun 400 ng/μL bombykol tot 2 ng/μL bombykol met hexaan in een injectieflacon van 1 ml.
- Snijd filterpapier in stukken van 10 mm × 10 mm, rol ze in een cilindrische vorm en plaats ze in een glazen buis (inwendige diameter [ID]: 5 mm; buitendiameter [OD]: 7 mm; lengte [L]: 100 mm).
- Laat een verdund monster (100 ng bombykol opgelost in 50 μL hexaan) op een deel van het filtreerpapier in de glazen buis vallen.
- Sluit beide uiteinden van de glazen buis met het filtreerpapier met behulp van polydruppelaars die in het midden zijn gesneden.
3. EAG-experimenten op een vast bureauoppervlak
OPMERKING: Het monteerbare EAG-apparaat, dat functioneert als een draagbare biosensor op een kleine drone, wordt weergegeven in figuur 1B. Het apparaat bevatte high-pass (0,1 Hz) en low-pass (300 Hz) filters. De gedetailleerde informatie van het elektrische circuit wordt beschreven in Terutsuki et al.26
- Voer gegevensverzameling en -analyse uit op een pc nadat het EAG-apparaat de meetgegevens heeft verzonden.
- Om gezuiverde lucht te genereren, passeert u de luchtstroom die wordt gegenereerd door een compacte luchtpomp met een koelventilator door katoen, actieve koolkorrels en gedestilleerd water. Laat vervolgens de gezuiverde lucht door een glazen buis gaan voor stimulatie.
OPMERKING: Een foto van het geurstimulatiesysteem is weergegeven in figuur 1C. Het luchtstroompad wordt aangegeven met zwarte pijlen. Het luchtstroompad van de uitlaatpoort van de magneetklep wordt aangegeven door de onderbroken zwarte pijl. - Stel het debiet in op 5 L min-1 met behulp van een flowmeter voor geurstimulatie in de vaste experimentele opstelling. Stel een hoger debiet in voor generatie, uitgaande van geurstimulaties van enkele meters voor de drone-experimenten.
OPMERKING: Dat het debiet (5 L min-1) geen invloed had op de signaaldetectie van het EAG-apparaat was eerder bevestigd26. De maximale luchtstroomsnelheid op de positie van het EAG-apparaat tijdens stimulatie werd gemeten als 3,9 m s-1 met behulp van een anemometer. - Gebruik een magneetventiel met een microcontroller om het EAG-apparaat te stimuleren en de stimulaties automatisch uit te voeren.
- Stel de stimulatietijd in op 0,5 s met behulp van de magneetklep.
- Gebruik elektrisch geleidende gel om een zijdemothantenne aan de elektrode te bevestigen.
OPMERKING: Deze procedure vereist niet het inbrengen van draden op micrometerschaal aan beide uiteinden van een silkmoth-antenne om deze aan het EAG-apparaat te bevestigen.- Isoleer zijdemoth antennes met behulp van postmortale schaar (Figuur 2A, B) zonder anesthesie. Zie figuur 2C voor een vergroot beeld van de antenne.
- Snijd beide zijden van de geïsoleerde zijdemothantenne en bevestig deze met behulp van elektrisch geleidende gel aan de ag/agcl-gecoate elektroden van het sensorgedeelte van het EAG-apparaat(figuur 3A).
- Sluit de glazen buis met bombykol aan op het geurstimulatiesysteem (zorg ervoor dat de pomp al is ingeschakeld).
- Bevestig de glazen buis zodanig dat de punt zich op 10 mm van de zijdemoth-antenne op het EAG-apparaat bevindt(figuur 3B).
- Stel de uitlaatpoort (diameter van 60 mm) in op 30 mm achter de EAG-inrichting om de luchtstroom te stabiliseren en feromoonstagnatie te voorkomen(figuur 3B).
- Schakel het EAG-apparaat in. Verbind de pc met het Wi-Fi-toegangspunt.
- Voer het gegevensverzamelingsprogramma uit op de pc. Zie Figuur 3C voor de grafische gebruikersinterface (GUI) op de pc voor de experimenten.
- Nadat u op de knop Grond in het menu Logboek hebt gedrukt om de experimentele status te bepalen, drukt u op de knop Logboekstart voor gegevensverzameling. Vijf seconden nadat u op de knop Start logboek hebt gedrukt, start u geurstimulaties.
- Druk op de knop Logboekstop op de GUI om de opname te stoppen.
4. Drone
OPMERKING: Een commercieel drone-vluchtplatform (98 mm x 93 mm x 41 mm; gewicht 87 g; maximale vliegtijd 13 min) werd in deze studie gebruikt. De payload van de drone was ongeveer 30 g op basis van de experimenten. De drone was uitgerust met een vision positioning system (VPS) bestaande uit een camera en een infraroodsensor onder zijn lichaam, waardoor stabiel zweven mogelijk was zonder een extern positioneringssysteem.
- Verwijder de bovenklep van de drone en voeg een aangepast koolstofvezelversterkt plastic (CFRP) bord toe met behulp van een driedimensionale (3D) geprinte houder om het EAG-apparaat te bevestigen. Zie figuur 4A voor een afbeelding van de bio-hybride drone.
OPMERKING: De drone-ontwikkelaar biedt een software development kit (SDK) en voorbeeld Python-programma's (zie de tabel met materialen); daarom was het drone-besturingsprogramma voor vluchtexperimenten hierop gebaseerd. - Stuur vluchtcommando's via de pc om de drone te besturen.
OPMERKING: Voor de veiligheid zijn snijbestendige handschoenen vereist voor het stoppen (vangen) van de drone in een noodafbraak. De GUI is uitgerust met een noodstopknop om de rotatie van de propellers van de drone onmiddellijk te stoppen(figuur 3C).
5. Voorbereiding van het vluchtexperimentele gebied
- Bereid een experimenteel vlieggebied voor (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) en rust het uit met een commerciële bewakingscamera aan het plafond.
- Stel het debiet van het geurstimulatiesysteem in op 5 L min-1 en de stimulatietijd op 0,5 s met behulp van het magneetventiel.
6. EAG-experimenten op de drone
- Isoleer zijdemoth antennes met behulp van een postmortale schaar en knip beide zijden van de antenne.
- Bevestig de geïsoleerde antennes met behulp van elektrisch geleidende gel aan de ag/agcl-gecoate elektroden van het sensorgedeelte van het EAG-apparaat.
- Sluit de glazen buis met bombykol (50.000 ng in 250 μL hexaan/filterpapier) aan op het geurstimulatiesysteem (met de pomp al ingeschakeld).
- Stel de glazen buis zo in dat de buis en de punt ervan evenwijdig zijn aan en direct boven de rand van het bureau.
- Stel de circulatiepomp zo in dat het meest uitstekende deel (het midden van de ventilator) zich op 15 cm van de rand van het bureau bevindt.
- Stel de windsnelheid van de circulatiepomp in op 1 (minimaal vermogen) door op de knop op de console te drukken.
- Monteer het EAG-apparaat op de drone. Verbind de pc met het Wi-Fi-toegangspunt. Schakel het EAG-apparaat en de drone in.
OPMERKING: De schakelaar van het EAG-apparaat bevindt zich in het verwerkingsgedeelte. - Voer het drone-besturingsprogramma uit op de pc.
- Nadat het lampje op de drone geel knippert, drukt u op de juiste knop in het menu Opdracht op de GUI(Figuur 3C)van de pc om de opdracht uit te voeren.
OPMERKING: Nadat de drone is aangesloten op de pc, wordt het lampje op de drone groen. - Druk op de Startknop op de GUI om de drone boven de grond te laten zweven.
- Nadat u op de flight-knop in het menu Log hebt gedrukt om de experimentele status te bepalen, drukt u op de knop Log start voor gegevensverzameling.
OPMERKING: Geurstimulatie wordt 5 s na het indrukken van de knop Log start gestart. - Druk op de knop Logboekstop op de GUI om de opname te stoppen.
- Stuur het Stop-commando met intervallen van 5 s na het opstijgen van de drone om de zwevende toestand te behouden, omdat de drone automatisch landt als deze niet gedurende ongeveer 15 s wordt gebruikt.
- Nadat het lampje op de drone geel knippert, drukt u op de juiste knop in het menu Opdracht op de GUI(Figuur 3C)van de pc om de opdracht uit te voeren.
7. Sensorbehuizing
- Ontwikkel een sensorbehuizing (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) op basis van een koolstofvezelbuis om de sensorgeleiding te verbeteren. Zie figuur 4B(C) voor een afbeelding van de bio-hybride drone met zijn sensorbehuizing en configuratie.
- Bedek het sensorgedeelte met een krimpkous en bevestig het aan de binnenwand van de behuizing met dubbelzijdige tape.
- Plaats het sensorgedeelte van het EAG-apparaat in de sensorbehuizing.
- Stel de afstand tussen de punt van de elektroden en de punt van de behuizing in op 10 mm.
8. Geurtraceringsdemonstratie met behulp van de bio-hybride drone
- Isoleer zijdemoth antennes met behulp van een postmortale schaar en knip beide zijden van de antenne.
- Bevestig de geïsoleerde antenne aan de Ag/AgCl-gecoate elektroden van het sensorgedeelte van het EAG-apparaat met behulp van elektrisch geleidende gel.
- Monteer het EAG-apparaat met de sensorbehuizing op de drone.
- Beweeg de drone zo dat deze een ongeveer 90° draaiende beweging naar links en rechts begint.
- Stimuleer het EAG-apparaat op de drone met behulp van poly-droppers met bombykol tijdens deze bewegingen.
- Voer vier cycli van stap 8.5 uit.
OPMERKING: Na stap 8.6 draait de drone met de klok mee. Bij het uitvoeren van de stimulatie tijdens deze beweging, zal de drone één rotatie tegen de klok in uitvoeren en landen.
9. Lokalisatie van geurbronnen met behulp van de bio-hybride drone
- Sluit de glazen buis met bombykol (50.000 ng in 250 μL hexaan/filtreerpapier) aan op de pomp die al is ingeschakeld.
- Bevestig de glazen buis zodanig dat de punt zich op 150 mm van de circulatiepomp bevindt.
- Definieer de richting naar de geurbron als 0° en stel de drone in een hoek van 270° met de klok mee vanaf de geurbron op het startpunt.
- Verbind de pc met het Wi-Fi-toegangspunt en schakel het EAG-apparaat en de drone in.
- Voer het drone-besturingsprogramma uit op de pc.
- Nadat het lampje op de drone geel knippert, drukt u op de juiste knop in het menu Opdracht op de GUI van de pc(Figuur 3C)om de opdracht uit te voeren.
OPMERKING: Nadat de drone is aangesloten op de pc, wordt het lampje op de drone groen. - Druk op de Startknop op de GUI om de drone boven de grond te laten zweven.
- Nadat u op de knop Zoeken in het menu Logboek hebt gedrukt om de experimentele status te bepalen, drukt u op de knop Logboekstart voor gegevensverzameling. Druk vervolgens op de startknop Zoeken in het menu Opdracht om de lokalisatie van geurbronnen te starten met behulp van het spiraal-surge-algoritme en cyclische geurstimulaties (geur: 0,5 s; interval: 2,0 s) van de geurbron.
- Nadat u de drone hebt geland, drukt u op de knop Log stop op de GUI om de opname te stoppen.
- Nadat het lampje op de drone geel knippert, drukt u op de juiste knop in het menu Opdracht op de GUI van de pc(Figuur 3C)om de opdracht uit te voeren.
Representative Results
Dit artikel beschrijft de protocollen voor signaalmetingen met behulp van het voorgestelde EAG-apparaat dat op een bureau en drone is gemonteerd. Eerst evalueerden we de prestaties van het EAG-apparaat op een bureau. Een zijdemoth antenne op het EAG apparaat werd gestimuleerd door bombykol. Vijfentwintig continue stimulaties werden uitgevoerd met behulp van 100 ng bombykol opgelost in 50 μL hexaan met intervallen van 5 s, zoals geregeld door een microcontroller. De resultaten gaven aan dat het voorgestelde EAG-apparaat reproduceerbaar reageerde op de stimulaties(figuur 5).
De geurdetectieprestaties van het EAG-apparaat werden vervolgens geëvalueerd op de drone. De drone uitgerust met het EAG-apparaat zweefde op een hoogte van 95 cm van de vloer en op een afstand van 90 cm van de geurbron(figuur 6A). Door de in paragraaf 6 beschreven procedure te volgen, werden de signalen van het EAG-apparaat op de drone gemeten ten opzichte van bombykol (50.000 ng in 250 μL hexaan/filterpapier). De sensorprestaties van een commerciële gassensor op een drone werden ter vergelijking geëvalueerd. Een digitale multi-pixel gassensor28 werd gebruikt om ethanoldampen te detecteren. Deze sensor kan worden gebruikt voor de detectie van totale vluchtige organische stoffen (TVOC's).
Volgens de datasheet was het TVOC-signaalbereik van de sensor 0-60.000 ppb. De drone met het breakoutboard van de gassensor zweefde onder dezelfde omstandigheden als het EAG-apparaat. Bovendien werd 500 μL ethanol (99,5% zuiverheid) gebruikt als geurbron in plaats van bombykol. De typische signalen van het EAG-apparaat en de gassensor op de drone zijn weergegeven in figuur 6B. Omdat de geurmoleculen en sensorapparaten in deze vergelijking verschilden, konden kwantitatieve vergelijkingen niet worden uitgevoerd. De experimentele resultaten suggereren echter dat het voor een drone met een commerciële gassensor moeilijk kan zijn om geurmoleculen met een snelle reactie/ herstelsnelheid te detecteren. In het bijzonder was de hersteltijd van de gassensor in deze studie significant hoger dan die van het EAG-apparaat met zijdemoth-antennes.
We evalueerden ook de sensor directiviteit van het EAG-apparaat op de drone. In deze studie werd de richting naar de geurbron gedefinieerd als 0 °, en de drone werd met tussenpozen van 60° met de klok mee gedraaid om de signaalintensiteiten onder elke hoek te evalueren. Voor de drone zonder sensorbehuizing was de signaalintensiteit bij 180°, terwijl de drone in de tegenovergestelde richting van de geurbron stond, af en toe hoger dan die bij 0°(figuur 6C). Voor de drone uitgerust met de behuizing werd de signaalintensiteit van de EAG bij 0° echter hoger dan die bij 180°(figuur 6D). Bijgevolg verbeterde de sensorbehuizing de sensorgeleiding van het EAG-apparaat op de drone.
Een geurtraceringsdemonstratie werd uitgevoerd met behulp van de bio-hybride drone met de sensorbehuizing. De resultaten gaven aan dat de drone bombykol in de lucht buiten een windtunnel detecteerde en de richting van de geurpluim identificeerde door bewegingen te draaien(Figuur 7,Aanvullende Video S1). Ten slotte werd de lokalisatie van geurbronnen uitgevoerd op basis van het spiraal-surge-algoritme met behulp van de bio-hybride drone(figuur 8A). De drone stond op 270° van de geurbron op het startpunt. Na het zweven ging de drone op zoek naar de maximale waarde van de signaalintensiteit tijdens spiraalbewegingen met de klok mee of tegen de klok in. Vervolgens bewoog de drone zich voort in de richting van de maximale waarde van de signaalintensiteit. Na zes keer de geurzoekende spiraal en golfbewegingen te hebben herhaald, landde de drone op de grond. Het stroomdiagram van het spiraal-surge algoritme wordt beschreven in Terutsuki et al.26
Het traject, de gierhoeken en de EAG-signalen tijdens de lokalisatie van de geurbron zijn weergegeven in figuur 8B-D. Figuur 8D laat zien dat de detectietijd, inclusief respons- en hersteltijden van het EAG-apparaat op de drone, ongeveer 1 s was. De drone paste autonoom zijn beweging aan door te zoeken naar de maximale geurconcentratie tijdens de spiraalbewegingen. Lezers kunnen video's bekijken van de lokalisatie van de geurbron door de bio-hybride drone beschreven door Terutsuki et al.26.
Figuur 1: De zijdemot, het EAG-apparaat en het geurstimulatiesysteem. (A) Afbeelding van een mannelijke zijdemot. (B) Afbeelding van het monteerbare EAG-apparaat voor een kleine drone. (C) Afbeelding van het geurstimulatiesysteem met luchtstroomrichtingen. Afkorting: EAG = elektroantennografie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Isolatie van zijdemoth antenne. (A) Isolatie van een zijdemoth antenne met behulp van postmortale schaar. (B) Typische geïsoleerde zijdemoth antenne. (C) Vergrote weergave van een geïsoleerde zijdemoth antenne; schaalbalk = 0,5 mm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: EAG-apparaat ingesteld en GUI. (A) Installatie van een geïsoleerde zijdemothantenne op de elektroden van het EAG-apparaat met behulp van gel. (B) Instellen voor geurstimulatie met behulp van het EAG-apparaat op het bureau. (C) De GUI voor de experimenten. Afkortingen: EAG = elektroantennografie; GUI = grafische gebruikersinterface. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 4: Bio-hybride drone. (A) Bio-hybride drone gebaseerd op een silkmoth antenne. (B) Bio-hybride drone met de sensorbehuizing. (C) Configuratie van de bio-hybride drone. Schaalstaven (A, B) = 50 mm. Afkorting: CFRP = koolstofvezelversterkte kunststof. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 5: Typisch continue responsprofiel van het EAG-apparaat op het bureau gestimuleerd door bombykol. Afkorting: EAG = elektroantennografie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 6: Experimentele omgeving van de bio-hybride drone en signaalintensiteit van het EAG-apparaat. (A) Beeld van de experimentele omgeving met de bio-hybride drone, die autonoom 95 cm boven de grond zweefde op een afstand van 90 cm van de geurbron. (B) Vergelijking tussen de typische signalen van het EAG-apparaat en de commerciële gassensor op de drone. (C) Typische signaalintensiteit van het EAG-apparaat zonder de sensorbehuizing op de drone onder elke hoek uit te rusten (N = 1). (D) Gemiddelde signaalintensiteit van het EAG-apparaat met de behuizing op de drone onder elke hoek (N = 3; individuele tests). De eenheid van de signaalintensiteiten is V. C en D zijn gewijzigd van Terutsuki et al.26. Afkortingen: EAG = elektroantennografie; TVOC = totaal vluchtige organische stoffen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 7: Handmatige geurstimulatie om detectie en tracering van geur in een ruimte door de bio-hybride drone aan te tonen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 8: Lokalisatie van geurbronnen door de bio-hybride drone. (A) Gezichtspunt vanaf de plafondcamera van het vluchtgebied van de bio-hybride drone. (B) Typische vliegbaan, (C) gierhoeken en (D) EAG-signaalintensiteiten tijdens lokalisatie van geurbronnen met behulp van het spiraal-surge-algoritme. Deze cijfers zijn representatieve resultaten (N=1). A-D zijn gewijzigd van Terutsuki et al.26. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullende video S1: Demonstratie van handmatige geurstimulatie met behulp van de bio-hybride drone. Klik hier om deze video te downloaden.
Discussion
Mobiele robots met EAG-apparaten werden 25 jaar geleden voor het eerst ontwikkeld20. Sindsdien zijn er aanzienlijke vorderingen geweest in robottechnologieën, waaronder drones. Gezien deze technologische vooruitgang hebben we een autonome bio-hybride drone ontwikkeld met een EAG-apparaat op basis van een zijdemothantenne voor geurdetectie en lokalisatie in lucht26. Deze studie toont de werking van de ontwikkelde bio-hybride drone en het traceren van handmatige stimulatie van geuren in een kamer met behulp van de drone.
In deze studie, toen zijdemoth-antennes aan elektroden werden bevestigd met behulp van elektrisch geleidende gel, hebben we geverifieerd dat beide uiteinden van elke antenne veilig contact maakten met de elektroden voordat we begonnen met EAG-experimenten op het bureau of de drone. Als tijdens het experiment plotseling signalen van het EAG-apparaat verloren gingen, zou een onderzoeker eerst de verbinding van de antenne met de elektroden controleren. Het is mogelijk dat dit probleem zich met een hogere waarschijnlijkheid voordeed in de EAG-experimenten op de drone. Hoewel de levensduur van geïsoleerde zijdemoth-antennes meer dan een uur is, omdat de gel in deze studie in een dozijn tot tientallen minuten is uitgedroogd, kan de toevoeging van gel aan de verbindingspunten van de antennes en de elektroden helpen bij het herstellen van signaalintensiteiten.
De drone in deze studie was uitgerust met de VPS bestaande uit een camera en een infraroodsensor voor vluchtstabilisatie. We ontdekten dat de drone dreef tijdens het zweven op een gladde vloer, wat mogelijk de instabiliteit van een infraroodsensor onder het lichaam van de drone heeft veroorzaakt. Hetzelfde probleem deed zich soms voor toen er met deze drone geëxperimenteerd werd in een ruimte met een gladde vloer zoals tegels. Daarom bedekten we de vloer met verhoogde tapijten (we gebruikten vierkleurentapijten van 45 cm × 45 cm gebied) en verminderden de drift van de drone. Dit proces bleek nuttig te zijn voor vluchtstabilisatie van de EAG-experimenten op de drone.
Het belang van de bio-hybride drone in deze studie ligt in zijn vermogen om geurconcentratie te herkennen en zijn sensorrichting naar geurbronnen. De drone identificeerde real-time geurconcentratieverschillen buiten een windtunnel en lokaliseerde de bron met behulp van het spiraal-surge-algoritme(figuur 8). Het spiraal-surge algoritme29,30 vereist geen pluim-locatie-informatie tijdens pluim reacquisitie en vertoont zijn relatief hoge betrouwbaarheid, vergeleken met die van het gietalgoritme, in een laminaire stroom met lage snelheid30. Dit algoritme werd eerder geïnstalleerd op een grondmobiele robot30; er was echter een windrichtingssensor nodig om de bovenwindse richting te herkennen. Geurinformatie werd gesepileerd en concentratie werd genegeerd.
Voor de op insectenantennes gebaseerde drone is het monteren van extra sensoren, zoals windsensoren, een afweging tussen laadvermogen en batterijverbruik. Daarnaast werd geurinformatie die door de EAG op de drone werd gedetecteerd nog steeds beoordeeld om te bepalen of deze een drempel25overschreed. Het bio-hybride drone-ontwerp dat in deze studie werd gebruikt, verbeterde de directiviteit van het EAG-apparaat zelf en vereiste geen windrichtingsensor. De sensor directiviteit stelde de drone in staat om geurconcentratie-informatie te gebruiken tijdens spiraalvormige bewegingen in een kameromgeving die complexer was dan een windtunnel. In deze studie werd een cilindrische behuizing gebruikt; in de toekomst moet echter een uitgebreidere en lichtere behuizing worden ontwikkeld.
De bio-hybride drone die in deze studie is onderzocht, heeft echter enkele beperkingen. Zo was de afstand van de lokalisatie van de geurbron nog beperkt. Vanwege hun hoge mobiliteit moeten drones in staat zijn om geuren over lange afstanden in de orde van enkele tientallen meters te zoeken. De afstand die werd bereikt door de op insectenantennes gebaseerde bio-hybride drone was echter beperkt tot 2 m26en lokalisatietests voor geurbronnen werden uitgevoerd in een windtunnel met beperkte ruimte25. Het vergroten van de zoekafstand is essentieel voor de ontwikkeling van een praktisch geurdetectievliegplatform.
Voor zoekopdrachten over lange afstand (meer dan 10 m) zijn een hoge sensordigietiviteit en een efficiënt lokalisatiealgoritme voor geurbronnen vereist, aangezien verdunning van de geurconcentratie en complexe verdeling van de geurpluim worden verwacht. Stereodetectie met behulp van twee antennes van hetzelfde insect kan de directionaliteit verhogen23. De meeste lokalisatie-experimenten met geurbronnen met kleine drones met commerciële gassensoren werden uitgevoerd met behulp van een enkele sensor en een EAG-apparaatarray op drones werd niet uitgevoerd. Daarom moet een EAG-apparaatarray worden ontwikkeld voor kleine drones om hun geurdetectie-toepassingspotentieel te vergroten. De EAG-apparaatarray zou ook de ontwikkeling van een efficiënt lokalisatiealgoritme voor geurbronnen vergemakkelijken, omdat het een nauwkeurigere lokalisatie van een geurpluim mogelijk maakt.
Op insectenantennes gebaseerde bio-hybride geurdetectiedrones dragen bij aan zowel fundamenteel als toegepast onderzoek. Vanuit het perspectief van fundamenteel onderzoek kunnen dergelijke drones worden gebruikt als testplatforms om lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen te ontwikkelen. Verschillende algoritmen zijn eerder voorgesteld31; testplatforms met behulp van een mobiele robot die tweedimensionale geurzoekopdrachten of commerciële gassensoren uitvoerde, hebben echter beperkte prestaties vertoond. In deze opstellingen is het moeilijk voor voorgestelde algoritmen om hun prestaties aan te tonen. De bio-hybride drone in deze studie toonde het herkenningsvermogen van geurconcentratie aan, evenals sensor directiviteit, gevoeligheid en selectiviteit. Daarom is het veelbelovend voor installatie in meer geavanceerde of driedimensionale lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen.
In termen van toepassingen kunnen bio-hybride drones worden ingezet op missies die levende dieren moeilijk kunnen benaderen, zoals het detecteren van giftige chemische / biologische lekken, explosieve materialen en zoek- en reddingsoperaties. Om dergelijke drones op deze missies toe te passen, moeten de insectenantennes geurmoleculen detecteren die zijn opgenomen in doelgeurbronnen. Silkmoth-antennes kunnen genetisch gemodificeerdworden 32 om het potentieel te hebben om andere geurmoleculen dan het vrouwelijke silkmoth-geslachtsferomoon te detecteren; deze toepassingen worden nu dus werkelijkheid.
Disclosures
De auteurs hebben geen belangenconflicten te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd mede ondersteund door een onderzoeksbeurs van The Murata Science Foundation. De auteurs willen Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Japan, bedanken voor het helpen bij de ontwikkeling van de droneplatforms en programmering en Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, voor het helpen bij het ontwerp van de elektronische circuits. De auteurs willen ook Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) bedanken voor het leveren van gezuiverde bombykol; De heer Takuya Nakajo (RCAST, De Universiteit van Tokio) voor ondersteuning van de zijdemothveredeling; en de heer Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) voor het ondersteunen van de verwerving van silkmoth-afbeeldingen.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Burgués, J., Marco, S. Environmental chemical sensing using small drones: A review. Science of the Total Environment. 748, 141172 (2020).
- Ercolani, C., Martinoli, A. 3D odor source localization using a micro aerial vehicle: system design and performance evaluation. 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). , 6194-6200 (2020).
- Neumann, P. P., et al. Indoor air quality monitoring using flying nanobots: design and experimental study. IEEE International Symposium on Olfaction and Electronic Nose (ISOEN). , 1-3 (2019).
- Burgués, J., Hernández, V., Lilienthal, A. J., Marco, S. Smelling nano aerial vehicle for gas source localization and mapping. Sensors. 19 (3), 478 (2019).
- Shigaki, S., Okajima, K., Sanada, K., Kurabayashi, D. Experimental analysis of the influence of olfactory property on chemical plume tracing performance. IEEE Robotics and Automation Letters. 4 (3), 2847-2853 (2019).
- Romano, D., Donati, E., Benelli, G., Stefanini, C. A review on animal-robot interaction: from bio-hybrid organisms to mixed societies. Biological Cybernetics. 113, 201-225 (2019).
- Bozkurt, A., Lobaton, E., Sichitiu, M. A biobotic distributed sensor network for under-rubble search and rescue. Computer. 49 (5), 38-46 (2016).
- Yu, Y., et al. Intelligence-augmented rat cyborgs in maze solving. PLoS One. 11 (2), 0147754 (2016).
- Cazenille, L., et al. How mimetic should a robotic fish be to socially integrate into zebrafish groups. Bioinspiration & Biomimetics. 13, 025001 (2018).
- Sankaran, S., Khot, L. R., Panigrahi, S. Biology and applications of olfactory sensing system: A review. Sensors and Actuators B: Chemical. 171-172, 1-17 (2012).
- Bohbot, J. D., Vernick, S. The emergence of insect odorant receptor-based biosensors. Biosensors. 10 (3), 26 (2020).
- Terutsuki, D., et al. Increasing cell-device adherence using cultured insect cells for receptor-based biosensors. Royal Society Open Science. 5 (3), 172366 (2018).
- Terutsuki, D., Mitsuno, H., Kanzaki, R. 3D-printed bubble-free perfusion cartridge system for live-cell imaging. Sensors. 20 (20), 5779 (2020).
- Terutsuki, D., et al. Highly effective volatile organic compound dissolving strategy based on mist atomization for odorant biosensors. Analytica Chimica Acta. 1139, 178-188 (2020).
- Terutsuki, D., et al. Odor-sensitive field effect transistor (OSFET) based on insect cells expressing insect odorant receptors. 2017 IEEE 30thInternational Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). , 394-397 (2017).
- Nagata, S., et al. A high-density integrated odorant sensor array system based on insect cells expressing insect odorant receptors. 2018 IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). , 282-285 (2018).
- Park, K. C., Ochieng, S. A., Zhu, J., Baker, T. C. Odor discrimination using insect electroantennogram responses from an insect antennal array. Chemical Senses. 27 (4), 343-352 (2002).
- Myrick, A. J., Park, K. C., Hetling, J. R., Baker, T. C. Real-time odor discrimination using a bioelectronic sensor array based on the insect electroantennogram. Bioinspiration & Biomimetics. 3, 046006 (2008).
- Pawson, S. M., et al. Light-weight portable electroantennography device as a future field-based tool for applied chemical ecology. Journal of Chemical Ecology. 46 (7), 557-566 (2020).
- Kuwana, Y., Shimoyama, I., Miura, H. Steering control of a mobile robot using insect antennae. Proceedings 1995 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). 2, 530-535 (1995).
- Kuwana, Y., Shimoyama, I. A pheromone-guided mobile robot that behaves like a silkworm moth with living antennae as pheromone sensors. The International Journal of Robotics Research. 17 (9), 924-933 (1998).
- Kuwana, Y., Nagasawa, S., Shimoyama, I., Kanzaki, R. Synthesis of the pheromone-oriented behaviour of silkworm moths by a mobile robot with moth antennae as pheromone sensors. Biosensors and Bioelectronics. 14 (2), 195-202 (1999).
- Martinez, D., Arhidi, L., Demondion, E., Lucas, J. B. P. Using insect electroantennogram sensors on autonomous robots for olfactory searches. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (90), (2014).
- Lan, B., Kanzaki, R., Ando, N. Dropping counter: A detection algorithm for identifying odour-evoked responses from noisy electroantennograms measured by a flying robot. Sensors. 19 (20), 1-16 (2019).
- Anderson, M. J., Sullivan, J. G., Horiuchi, T., Fuller, S. B., Daniel, T. L. A bio-hybrid odor-guided autonomous palm-sized air vehicle. Bioinspiration & Biomimetics. 16, 026002 (2020).
- Terutsuki, D., et al. Real-time odor concentration and direction recognition for efficient odor source localization using a small bio-hybrid drone. Sensors and Actuators B: Chemical. 339, 129770 (2021).
- Große-Wilde, E., Svatoš, A., Krieger, J. A pheromone-binding protein mediates the bombykol-induced activation of a pheromone receptor in vitro. Chemical Senses. 31 (6), 547-555 (2006).
- Rüffer, D., Hoehne, F., Bühler, J. New digital metal-oxide (MOx) sensor platform. Sensors. 18 (4), 1052 (2018).
- Hayes, A. T., Martinoli, A., Goodman, R. M.
- Lochmatter, T., Raemy, X., Matthey, L., Indra, S., Martinoli, A. A comparison of casting and spiraling algorithms for odor source localization in laminar flow. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. , 1138-1143 (2008).
- Chen, X., Huang, J. Odor source localization algorithms on mobile robots: A review and future outlook. Robotics and Autonomous Systems. 112, 123-136 (2019).
- Sakurai, T., et al. A single sex pheromone receptor determines chemical response specificity of sexual behavior in the silkmoth Bombyx mori. PLoS Genetics. 7 (6), 1002115 (2011).
