基于电子电图的生物混合气味检测无人机使用丝质天线进行气味源本地化
2021年8月27日
这项研究引入了基于丝质天线的生物混合气味检测无人机的实验协议。除了使用螺旋涌算法设计用于气味源定位的生物混合无人机的结构外，还介绍了使用丝质天线的实验电感天线装置的操作。
带丝质天线的生物混合无人机可以使用高效的气味分子检测工具，以及开发气味源定位算法的合适飞行平台。主要优点是，生物混合无人机具有传感器对气味源的直接性，因为装备了传感器外壳。首先，使用死后剪刀隔离丝质飞蛾天线，无需麻醉。
切割分离的丝绸飞蛾天线的两侧，并使用导电凝胶将其连接到电感或 EAG 设备传感部分的银和银氯化物涂层电极上。将装有弹甲醇的玻璃管连接到气味刺激系统，确保泵已打开。构建玻璃管，使其尖端距离 EAG 设备上的丝嘴天线 10 毫米。
将直径为 60 毫米的排气板设置在 EAG 设备后面 30 毫米，以稳定气流并防止信息素停滞。打开 EAG 设备，然后在 PC 上运行数据采集程序。按日志菜单中的地面按钮以决定实验状态，然后按日志启动按钮进行数据采集。按下日志启动按钮五秒钟后，启动气味刺激。
按图形用户界面（GUI）上的日志停止按钮以停止录制。用死后剪刀隔离丝质飞蛾天线，切开天线两侧。使用导电凝胶将隔离天线连接到 EAG 设备感应部分的银和氯化银涂层电极上。
将装有弹甲的玻璃管与已经打开的泵连接到气味刺激系统。设置玻璃管，使管及其尖端分别与桌子边缘和正上方平行。设置循环器，使风扇的中心离桌子边缘 15 厘米。
通过按下控制台上的按钮，将循环器的风速设置为一个或最小功率。在无人机上安装 EAG 设备。将 PC 连接到 Wi-Fi 接入点。
打开 EAG 设备和无人机。在 PC 上运行无人机控制程序。无人机上的灯闪烁黄色后，按 PC GUI 上的指令菜单中的 SDK 命令按钮执行命令，然后按 GUI 上的起飞按钮将无人机悬停在地面上。按下航班按钮后，要决定实验状态，请按日志启动按钮进行该采集。
按 GUI 上的日志停止按钮以停止录制。将 EAG 设备的传感部分插入传感器外壳中。将电极尖端和外壳尖端之间的距离设置为 10 毫米。
如前所述，将丝蛾的隔离天线连接到电极上，并安装 EAG 设备，并在无人机上安装传感器关闭。悬停无人机，使其开始向左和向右旋转约 90 度。在这些运动中，使用装有炸弹的多投递器刺激无人机上的 EAG 设备。
执行此步骤共四次。观察到，拟议的EAG装置可重复地对气味刺激作出反应。配备 EAG 装置的无人机在距地面 95 厘米的高度和气味源 90 厘米的距离内盘旋。
记录了无人机上的 EAG 设备和气体传感器的典型信号。对于没有传感器外壳的无人机，当无人机面对气味源的相反方向时，180 度的信号强度偶尔会高于零度。然而，对于配备外壳的无人机，EAG零度的信号强度高于180度。
结果表明，无人机在风洞外的空中探测到炸弹，并通过旋转运动确定了气味羽流的方向。气味源本地化是根据这种螺旋搜索算法使用生物混合无人机进行的。无人机的轨迹、偏航角度和气味源定位过程中的 EAG 信号被记录下来进行分析。
EAG 信号显示，无人机上的 EAG 设备的检测时间（包括响应和恢复时间）约为一秒。生物杂交无人机的发展为在生物混合机器人领域构建高效气味分子检测平台铺平了道路。
概述
本研究提出了一种利用蚕蛾触角的生物混合气味检测无人机的实验方案。研究详细说明了电触角图设备的操作和用于气味源定位的无人机的设计。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物混合机器人技术
背景
- 蚕蛾触角对气味分子敏感。
- 电触角图（EAG）是用于测量这些触角对气味反应的技术。
- 生物混合无人机可以增强气味检测能力。
- 气味源定位对各种应用至关重要，包括环境监测。
研究目的
- 开发能够高效检测和定位气味源的生物混合无人机。
- 展示蚕蛾触角在无人机环境中的功能。
- 利用螺旋冲击算法进行气味源定位。
使用的方法
- 蚕蛾触角的分离和连接到EAG设备。
- 使用蚕蛾酮建立气味刺激系统。
- 将EAG设备与无人机集成以获取数据。
- 实施螺旋搜索算法进行气味定位。
主要结果
- EAG设备对气味刺激反应可靠。
- 无人机检测到蚕蛾酮并识别了气味羽流的方向。
- 信号强度根据传感器封装的存在而变化。
- EAG设备的检测时间约为一秒。
结论
- 生物混合无人机代表了气味检测技术的重大进步。
- 本研究为未来生物混合机器人技术应用铺平了道路。
- 进一步的研究可以提高气味定位算法的效率。
常见问题
Executive Industry Relevance
Integrating silkmoth antennae-based electroantennography (EAG) biosensors onto autonomous drones addresses the challenge of real-time, high-sensitivity odorant detection in complex environments. This bio-hybrid platform enhances predictive confidence for odor source localization, supporting early-stage validation of environmental and security monitoring technologies. The approach enables robust, reproducible detection workflows that can be adapted for scalable R&D pipelines in biosensing and robotics.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of biological olfactory pathways using insect antennae as functional biosensors.
- Supports mechanistic de-risking by providing high-sensitivity, selective detection of volatile molecules.
- Facilitates predictive confidence in biosensor performance for environmental and security applications.
Screening & Assay Development
- Prepares validated bio-hybrid systems for downstream odorant screening workflows.
- Delivers reproducible, quantitative EAG signal outputs for assay standardization.
- Enables scalable evaluation of sensor enclosure designs and localization algorithms.
Translational & Preclinical Research
- Aligns biosensor outputs with real-world environmental detection scenarios.
- Supports continuity from discovery-stage biosensor validation to preclinical field testing.
- Provides a platform for risk-adjusted advancement of bio-hybrid detection technologies.
Pipeline & Workflow Integration
This EAG-based odor detection method fits within the discovery-to-preclinical continuum for biosensor development and environmental monitoring solutions.
- Discovery Biology: Enables hypothesis testing of insect olfactory system sensitivity and selectivity in engineered platforms.
- Screening: Provides reproducible, quantitative EAG measurements for comparing sensor configurations and algorithms.
- Analytics: Generates real-time signal outputs and trajectory data for cross-condition analysis.
- Translational Research: Bridges laboratory biosensor validation with field-relevant odor localization tasks.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular, programmable platform for iterative biosensor and algorithm development.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in odorant detection workflows.
- Operational Value: Standardizes biosensor preparation, data acquisition, and drone integration for reproducibility.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions for advancing biosensor platforms and localization algorithms.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of bio-hybrid detection technologies for environmental and security applications.
Implementation Considerations
- Requires expertise in insect olfactory biology and EAG signal analysis.
- Needs instrumentation for precise antennae preparation, electrode attachment, and airflow control.
- Demands cross-team standardization of biosensor mounting and data acquisition protocols.
- Must adapt sensor enclosure and drone integration for different environmental conditions.
- Performance may vary with antennae viability and environmental airflow dynamics.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:27
EAG Experiments on a Fixed Desk Surface
1:49
EAG Experiments on the Drone and Sensor Enclosure
3:33
Odor Tracing Demonstration Using the Bio-hybrid Drone
4:08
Results: Bio-hybrid Odor-detecting Drone Using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization
5:34
Conclusion
