Artykuł metodologiczny

Biohybrydowy dron wykrywający zapachy oparty na elektroantennografii wykorzystujący anteny Silkmoth do lokalizacji źródła zapachów

5.5K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/62895

⸱

27 sierpnia 2021

 ,  ,  ,  ,  , 
1Research Center for Advanced Science and Technology, The University of Tokyo, 2Department of Mechano-Informatics, Graduate School of Information Science and Technology, The University of Tokyo, 3Department of Applied Biological Science, Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science, 4Sensing System Research Center, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology

W tym artykule

Podsumowanie

To badanie wprowadza eksperymentalne protokoły dla bio-hybrydowego drona wykrywającego zapachy, opartego na antenach jedwabnika. Przedstawiono działanie eksperymentalnego urządzenia elektroantennogramowego z czułkami jedwabnika, a także konstrukcję biohybrydowego drona przeznaczonego do lokalizacji źródła zapachów za pomocą algorytmu spiralnego przypływu.

Streszczenie

Małe drony z urządzeniami chemicznymi lub biosensorami, które mogą wykrywać cząsteczki odorantów unoszących się w powietrzu, przyciągnęły znaczną uwagę ze względu na ich zastosowanie w monitorowaniu środowiska i bezpieczeństwa oraz operacjach poszukiwawczo-ratowniczych. Opracowano małe drony z komercyjnymi czujnikami gazu MOX (metal-tlenkowo-półprzewodnikowe) do lokalizacji źródeł zapachów; Jednak ich skuteczność wykrywania zapachów w czasie rzeczywistym okazała się niewystarczająca. Jednak technologie biosensoryczne oparte na systemach węchowych owadów wykazują stosunkowo wysoką czułość, selektywność i reakcję w czasie rzeczywistym w odniesieniu do cząsteczek nawaniaczy w porównaniu z komercyjnymi czujnikami gazu MOX. W takich urządzeniach wycięte anteny owadów działają jako przenośne elementy bioczujników nawaniaczy i stwierdzono, że zapewniają doskonałą wydajność wykrywania. W pracy przedstawiono eksperymentalne protokoły wykrywania cząsteczek odorantu w powietrzu przy użyciu małego autonomicznego biohybrydowego drona opartego na montowanym urządzeniu elektroantennograficznym (EAG) wyposażonym w anteny jedwabnika.

Opracowaliśmy urządzenie EAG do montażu, w tym części wykrywające/przetwarzające z modułem Wi-Fi. Urządzenie zostało wyposażone w prostą obudowę czujnika w celu zwiększenia kierunkowości czujnika. W związku z tym lokalizacja źródła zapachu została przeprowadzona przy użyciu algorytmu spiralno-falowego, który nie zakłada kierunku pod wiatr. Eksperymentalny biohybrydowy dron wykrywający zapachy zidentyfikował różnice w stężeniu odorantu w czasie rzeczywistym w pseudootwartym środowisku (poza tunelem aerodynamicznym) i zlokalizował źródło. Opracowany dron i związany z nim system mogą służyć jako wydajne narzędzie do wykrywania cząsteczek odorantu i odpowiednia platforma lotu do opracowywania algorytmów lokalizacji źródła zapachów dzięki wysokiej programowalności.

Wprowadzenie

Dzięki niedawnym postępom, małe drony z czujnikami chemicznymi stały się bardzo przydatne w monitorowaniu środowiska i bezpieczeństwa oraz wykrywaniu wycieków gazu1. Małe drony (o średnicy około < 20 cm) z komercyjnymi czujnikami gazu metalowo-tlenkowo-półprzewodnikowym (MOX) zostały ostatnio wykorzystane do mapowania zapachów lub lokalizacji źródeł zapachów2,3,4. Szukając źródeł zapachów, dron musi śledzić pióropusze zapachów; Jednak lokalizacja źródeł zapachów za pomocą małych dronów stanowi poważne wyzwanie. W otwartym środowisku struktury smug zapachowych podlegają ciągłym zmianom spowodowanym czynnikami środowiskowymi, takimi jak wiatr lub krajobraz. W związku z tym drony powinny być w stanie identyfikować różnice w stężeniach i kierunkach nawaniania w czasie; jednak wydajność wykrywania zapachów przez komercyjne czujniki MOX jest nadal niewystarczająca do wykrywania w czasie rzeczywistym ze względu na ich powolny czas odzyskiwania5.

Systemy biohybrydowe powstałe w wyniku połączenia systemów biologicznych i sztucznych to najnowszy trend w robotyce i technologiach sensorów6, wykazując duży potencjał do przewyższenia możliwości istniejących podejść. Na przykład sieć czujników biorobotycznych została opracowana w oparciu o karaluchy do zastosowania w sytuacjach katastrof7. Przeprowadzono eksperymenty, w których szczury-cyborgi o zwiększonej inteligencji obliczeniowej miały za zadanie rozwiązać labirynty8. Zbadano możliwość społecznej integracji robotów biomimetycznych z grupami prawdziwych ryb danio pręgowanego9.

Naturalnie, ten trend został wykorzystany do opracowania czujników zapachowych10. Na przykład biosensory oparte na systemach węchowych owadów mają stosunkowo wysoką czułość i selektywność w odniesieniu do różnych cząsteczek zapachowych w porównaniu z istniejącymi czujnikami MOX 11. W związku z tym opracowaliśmy wcześniej biohybrydowe systemy bioczujników zapachowych oparte na połączeniu komórek owadów wyrażających receptory zapachowe owadów i mikroskopu lub urządzeń elektronicznych12,13,14,15,16. Co więcej, anteny owadów mogą być niezależnie używane jako przenośne części wykrywające zapachy o wysokiej czułości, selektywności, odtwarzalności i szybkim czasie reakcji/odzyskiwania, przy użyciu techniki elektroantennografii (EAG)17,18,19. Kilka naziemnych mobilnych robotów wykrywających zapachy z technikami EAG opartymi na antenach owadów20,21,22,23 lub małe drony z urządzeniami EAG24,25 zostały opracowane do wykrywania zapachów i lokalizacji źródeł zapachów. Roboty te wykazywały czułość czujnika i zdolność wykrywania w czasie rzeczywistym. Na mobilność naziemnych robotów mobilnych istotny wpływ mają jednak ukształtowanie terenu lub przeszkody. Ponadto algorytmy lokalizacji osiągów lotu i źródła zapachów istniejących biohybrydowych dronów opartych na EAG pozostają ograniczone, ponieważ warunki eksperymentalne zostały ograniczone do lotu na uwięzi24 lub do przeprowadzenia w małym tunelu aerodynamicznym25.

To badanie przedstawia eksperymentalne protokoły wykrywania zapachów w powietrzu i lokalizacji źródeł zapachów za pomocą niedawno opracowanego biohybrydowego drona opartego na antenach jedwabnika (Bombyx mori)26. Opracowaliśmy lekkie urządzenie EAG o rozmiarach montażowych z funkcją komunikacji bezprzewodowej do wykrywania reakcji zapachowych anten jedwabnika. Urządzenie EAG zostało zamontowane na małym dronie, zainstalowanym w prostej obudowie czujnika w celu zwiększenia kierunkowości czujnika dla cząsteczek odorantu i zmniejszenia hałasu. Biohybrydowy dron w powtarzalny sposób wykrywał cząsteczki odorów unoszących się w powietrzu i określał maksymalne stężenie odorantu podczas ruchów spiralnych. Co więcej, dron zlokalizował źródło zapachu za pomocą algorytmu spiralnej fali bez informacji o kierunku wiatru.

Protokół

1. Owady

UWAGA: Jaja jedwabników (Bombyx mori) zostały zakupione od krajowej firmy. jedwabne zostały użyte w ciągu 10 dni po wydostaniu się z kokonów. Przygotuj trzy dorosłe jedwabne do eksperymentów (sześć czułków); Jednak liczba ta może ulec zmianie w zależności od wymagań eksperymentalnych.

  1. Jaja jedwabnej wysiadywać w temperaturze 15 °C przez 24 godziny i przenieść do inkubatora w temperaturze 25 °C.
    UWAGA: Jedwabniki wykluwają się około 10-13 dni później.
  2. Umieść jedwabniki na pokrojonej sztucznej diecie w plastikowym naczyniu.
  3. Po 20-25 dniach hodowli jedwabników obserwuj powstawanie i przepoczwarzanie się jedwabników w kokonach.
    UWAGA: Procedura uprawy obejmuje karmienie, usuwanie i odkażanie w środowisku o temperaturze 25 °C. jedwabne wyłaniają się z kokonów po 10-15 dniach.

2. Substancje zapachowe i przygotowanie źródła zapachów

UWAGA: Główny składnik feromonu płciowego samicy jedwabnika, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), był używany jako źródło zapachu do stymulacji. Samiec jedwabnej (Rysunek 1A) potrafi identyfikować i rozróżniać bombykol27, a izolowane czułki jedwabnika zostały wykorzystane do działania jako bioczujnik w robotach mobilnych20,21,22. Oczyszczony bombykol rozpuszczony w heksanie (10 mg/ml) przechowywać w szczelnie zamkniętej butelce w lodówce w temperaturze -30 °C.

  1. Włożyć strzykawkę do szczelnie zamkniętej butelki do przechowywania, a następnie wyjąć i wstrzyknąć 2 ml 2000 ng/μl bombykolu do fiolki o pojemności 10 ml. Następnie dodaj 8 ml heksanu do tej samej fiolki.
  2. Rozcieńczyć 400 ng/μl bombykolu do 2 ng/μl bombykolu heksanem w fiolce o pojemności 1 ml.
  3. Pokrój bibułę filtracyjną na kawałki o średnicy 10 mm × 10 mm, zwiń je w kształt cylindryczny i umieść w szklanej rurce (średnica wewnętrzna [ID]: 5 mm; średnica zewnętrzna [OD]: 7 mm; długość [L]: 100 mm).
  4. Upuścić rozcieńczoną próbkę (100 ng bombykolu rozpuszczonego w 50 μl heksanu) na część bibuły filtracyjnej w szklanej probówce.
  5. Zamknij oba końce szklanej rurki bibułą filtracyjną za pomocą zakraplaczy poliestrowych wyciętych pośrodku.

3. Eksperymenty EAG na stałej powierzchni biurka

UWAGA: Zamontowane urządzenie EAG, które funkcjonuje jako przenośny biosensor na małym dronie, jest pokazane w Rysunek 1B. W skład urządzenia wchodziły filtry górnoprzepustowe (0,1 Hz) i dolnoprzepustowe (300 Hz). Szczegółowe informacje o obwodzie elektrycznym są opisane w Terutsuki et al.26

  1. Wykonaj akwizycję i analizę danych na komputerze osobistym (PC) po wysłaniu danych pomiarowych przez urządzenie EAG.
  2. Aby wytworzyć oczyszczone powietrze, przepuść przepływ powietrza generowany przez kompaktową pompę powietrza z wentylatorem chłodzącym przez bawełnę, granulki węgla aktywnego i wodę destylowaną. Następnie przepuść oczyszczone powietrze przez szklaną rurkę w celu stymulacji.
    UWAGA: Zdjęcie systemu stymulacji zapachów jest pokazane w Rysunek 1C. Ścieżka przepływu powietrza jest oznaczona czarnymi strzałkami. Ścieżka przepływu powietrza w króćcu wylotowym zaworu elektromagnetycznego jest oznaczona przerywaną czarną strzałką.
  3. Ustaw natężenie przepływu na 5 L min-1 za pomocą przepływomierza do stymulacji zapachu w stałej konfiguracji eksperymentalnej. Ustaw wyższe natężenie przepływu do wytwarzania, zakładając stymulację zapachem na poziomie kilku metrów dla eksperymentów z dronem.
    UWAGA: Wcześniej potwierdzono, że natężenie przepływu (5 L min-1) nie miało wpływu na wykrywanie sygnału przez urządzenie EAG26. Maksymalna prędkość przepływu powietrza w pozycji urządzenia EAG podczas stymulacji została zmierzona na poziomie 3,9 m s-1 za pomocą anemometru.
  4. Użyj zaworu elektromagnetycznego z mikrokontrolerem, aby stymulować urządzenie EAG i automatycznie przeprowadzać stymulacje.
  5. Ustaw czas stymulacji na 0,5 s za pomocą elektrozaworu.
  6. Użyj żelu przewodzącego prąd elektryczny, aby przymocować antenę jedwabnika do elektrody.
    UWAGA: Ta procedura nie wymaga wkładania drutów skali mikrometrycznej do obu końców anteny jedwabnej w celu przymocowania jej do urządzenia EAG.
    1. Odizoluj czułki jedwabnika za pomocą nożyczek pośmiertnych (Rysunek 2A,B) bez znieczulenia. Zobacz Rysunek 2C dla powiększenia anteny.
    2. Przetnij obie strony izolowanej anteny jedwabnej i przymocuj ją do elektrod pokrytych Ag/AgCl części czujnikowej urządzenia EAG (Rysunek 3A) za pomocą żelu przewodzącego prąd elektryczny.
  7. Podłączyć szklaną rurkę zawierającą bombykol do systemu stymulacji zapachu (upewnić się, że pompa jest już włączona).
  8. Zamocuj szklaną rurkę tak, aby jej końcówka znajdowała się 10 mm od anteny jedwabnej na urządzeniu EAG (Rysunek 3B).
  9. Ustaw otwór wylotowy (średnica 60 mm) na 30 mm za urządzeniem EAG, aby ustabilizować przepływ powietrza i zapobiec stagnacji feromonów (Rysunek 3B).
  10. Włącz urządzenie EAG. Podłącz komputer do punktu dostępu Wi-Fi.
  11. Uruchom program do akwizycji danych na komputerze. Zobacz Rysunek 3C dla graficznego interfejsu użytkownika (GUI) na komputerze dla eksperymentów.
  12. Po naciśnięciu przycisku Ground w menu Log w celu podjęcia decyzji o stanie eksperymentalnym, naciśnij przycisk Start Log w celu pobrania danych. Pięć sekund po naciśnięciu przycisku Log start zainicjuj stymulację zapachową.
  13. Naciśnij przycisk Log stop w graficznym interfejsie użytkownika, aby zatrzymać nagrywanie.

4. Dron

UWAGA: W tym badaniu użyto komercyjnej platformy do lotów dronem (98 mm x 93 mm x 41 mm; waga 87 g; maksymalny czas lotu 13 minut). Udźwig drona wynosił około 30 g w oparciu o eksperymenty. Dron został wyposażony w wizyjny system pozycjonowania (VPS) składający się z kamery i czujnika podczerwieni pod jego korpusem, co pozwoliło na stabilne zawisanie bez zewnętrznego systemu pozycjonowania.

  1. Zdejmij górną pokrywę drona i dodaj niestandardową płytę z tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym (CFRP) za pomocą trójwymiarowego (3D) uchwytu, aby przymocować urządzenie EAG. Zobacz Rysunek 4A dla obrazu bio-hybrydowego drona.
    UWAGA: Programista dronów oferuje zestaw narzędzi do tworzenia oprogramowania (SDK) oraz przykładowe programy w języku Python (patrz tabela materiałów); Dlatego na nich opierał się program sterowania dronami do eksperymentów w locie.
  2. Wysyłaj polecenia lotu przez komputer, aby sterować dronem.
    UWAGA: Ze względów bezpieczeństwa do zatrzymania (złapania) drona w przypadku przerwania awaryjnego wymagane są rękawice odporne na przecięcie. Graficzny interfejs użytkownika wyposażony jest w przycisk zatrzymania awaryjnego do natychmiastowego zatrzymania obrotów śmigieł drona (Rysunek 3C).

5. Przygotowanie obszaru doświadczalnego lotu

  1. Przygotuj eksperymentalny obszar lotu (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) i wyposaż go w komercyjną kamerę monitorującą na suficie.
  2. Ustaw natężenie przepływu systemu stymulacji zapachów na 5 L min-1, a czas stymulacji na 0,5 s za pomocą zaworu elektromagnetycznego.

6. Eksperymenty EAG na dronie

  1. Odizoluj czułki jedwabnej za pomocą nożyczek pośmiertnych i odetnij obie strony anteny.
  2. Przymocuj izolowane anteny do elektrod pokrytych Ag/AgCl części czujnikowej urządzenia EAG za pomocą żelu przewodzącego prąd elektryczny.
  3. Podłączyć szklaną rurkę zawierającą bombykol (50 000 ng w 250 μl heksanu/bibuły filtracyjnej) do systemu stymulacji zapachu (przy już włączonej pompie).
  4. Ustaw szklaną rurkę tak, aby rurka i jej końcówka były odpowiednio równoległe do krawędzi biurka i bezpośrednio nad nią.
  5. Ustaw pompę cyrkulacyjną tak, aby najbardziej wystająca część (środek wentylatora) znajdowała się 15 cm od krawędzi biurka.
  6. Ustaw prędkość wiatru pompy cyrkulacyjnej na 1 (moc minimalna), naciskając przycisk na konsoli.
  7. Zamontuj urządzenie EAG na dronie. Podłącz komputer do punktu dostępu Wi-Fi. Włącz urządzenie EAG i drona.
    UWAGA: Przełącznik urządzenia EAG znajduje się w części obróbczej.
  8. Uruchom program do sterowania dronem na komputerze.
    1. Po tym, jak kontrolka na dronie zacznie migać na żółto, naciśnij odpowiedni przycisk w menu poleceń w graficznym interfejsie użytkownika (Rysunek 3C) komputera, aby wykonać polecenie.
      UWAGA: Po podłączeniu drona do komputera lampka na dronie zmieni kolor na zielony.
    2. Naciśnij przycisk Start na graficznym interfejsie użytkownika, aby zawisnąć drona nad ziemią.
    3. Po naciśnięciu przycisku Flight (Lot) w menu Log (Dziennik) w celu podjęcia decyzji o stanie eksperymentalnym, naciśnij przycisk Start Log (Start Rejestru) w celu akwizycji danych.
      UWAGA: Stymulacja zapachu zostanie zainicjowana po 5 sekundach od naciśnięcia przycisku Start dziennika.
    4. Naciśnij przycisk Log stop w graficznym interfejsie użytkownika, aby zatrzymać nagrywanie.
    5. Wyślij polecenie Stop w odstępach 5 s po starcie drona, aby utrzymać stan zawisu, ponieważ dron automatycznie ląduje, jeśli nie jest używany przez około 15 sekund.

7. Obudowa czujnika

  1. Opracowanie obudowy czujnika (L: 40 mm; średnica wewnętrzna: 20 mm; OD: 22 mm) oparty na rurze z włókna węglowego w celu zwiększenia kierunkowości czujnika. Zobacz Rysunek 4B,C dla obrazu bio-hybrydowego drona z jego obudową czujnika i konfiguracją.
  2. Przykryj część pomiarową termokurczliwą rurką izolacyjną i przymocuj ją do wewnętrznej ściany obudowy za pomocą taśmy dwustronnej.
  3. Włóż część czujnikową urządzenia EAG do obudowy czujnika.
  4. Ustaw odległość między końcówką elektrod a końcówką obudowy na 10 mm.

8. Demonstracja śledzenia zapachów za pomocą biohybrydowego drona

  1. Odizoluj czułki jedwabnej za pomocą nożyczek pośmiertnych i odetnij obie strony anteny.
  2. Przymocuj izolowaną antenę do elektrod pokrytych Ag/AgCl części czujnikowej urządzenia EAG za pomocą żelu przewodzącego prąd elektryczny.
  3. Zamontuj urządzenie EAG z obudową czujnika na dronie.
  4. Najedź dronem tak, aby rozpoczął ruch obrotowy o około 90° w lewo i w prawo.
  5. Podczas tych ruchów stymuluj urządzenie EAG na dronie za pomocą poly-dropperów zawierających bombykol.
  6. Przeprowadzić cztery cykle kroku 8.5.
    UWAGA: Po kroku 8.6 dron obróci się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Prowadząc stymulację podczas tego ruchu, dron wykona jeden obrót w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara i wyląduje.

9. Lokalizacja źródła zapachu za pomocą biohybrydowego drona

  1. Podłączyć szklaną rurkę zawierającą bombykol (50 000 ng w 250 μl heksanu/bibuły filtracyjnej) do pompy, która jest już włączona.
  2. Zamocuj szklaną rurkę tak, aby jej końcówka znajdowała się 150 mm od pompy cyrkulacyjnej.
  3. Określ kierunek w kierunku źródła zapachu jako 0° i ustaw drona pod kątem 270° zgodnie z ruchem wskazówek zegara od źródła zapachu w punkcie początkowym.
  4. Podłącz komputer do punktu dostępowego Wi-Fi i włącz urządzenie EAG oraz drona.
  5. Uruchom program do sterowania dronem na komputerze.
    1. Po tym, jak kontrolka na dronie zacznie migać na żółto, naciśnij odpowiedni przycisk w menu poleceń w graficznym interfejsie użytkownika komputera ( Rysunek 3C), aby wykonać polecenie.
      UWAGA: Po podłączeniu drona do komputera lampka na dronie zmieni kolor na zielony.
    2. Naciśnij przycisk Start na graficznym interfejsie użytkownika, aby zawisnąć drona nad ziemią.
    3. Po naciśnięciu przycisku Szukaj w menu Log w celu podjęcia decyzji o stanie eksperymentalnym, naciśnij przycisk Start Log w celu uzyskania danych. Następnie naciśnij przycisk Start wyszukiwania w menu Polecenia, aby zainicjować lokalizację źródła zapachu za pomocą algorytmu spiralnego przypływu i cyklicznych stymulacji zapachu (zapach: 0,5 s; interwał: 2,0 s) źródła zapachu.
    4. Po wylądowaniu drona naciśnij przycisk Log stop na graficznym interfejsie użytkownika, aby zatrzymać nagrywanie.

Wyniki

Niniejsza praca opisuje protokoły pomiarów sygnałów przy użyciu zaproponowanego urządzenia EAG zamontowanego na biurku oraz na dronie. W pierwszej kolejności oceniono wydajność urządzenia EAG na biurku. Antena jedwabnika na urządzeniu EAG była stymulowana bombykolem. Przeprowadzono dwudziestopięć ciągłych stymulacji z użyciem 100 ng bombykolu rozpuszczonego w 50 µL heksanu w odstępach 5 s, sterowanych przez mikrokontroler. Wyniki wykazały, że zaproponowane urządzenie EAG reagowało w sposób powtarzalny na stymulacje (Rysunek 5).

Wydajność detekcji zapachów urządzenia EAG została następnie oceniona na dronie. Dron wyposażony w urządzenie EAG zawisł na wysokości 95 cm od podłogi i w odległości 90 cm od źródła zapachu (Rysunek 6A). Postępując zgodnie z procedurą opisaną w sekcji 6, zmierzono sygnały urządzenia EAG na dronie w stosunku do bombykolu (50 000 ng w 250 µL heksanu/papierze filtracyjnym). Dla porównania oceniono wydajność komercyjnego czujnika gazu zamontowanego na dronie. Do wykrywania oparów etanolu użyto cyfrowego wielopikselowego czujnika gazu28. Czujnik ten może być wykorzystywany do detekcji całkowitej zawartości lotnych związków organicznych (TVOCs).

Zgodnie z kartą katalogową zakres sygnału TVOC czujnika wynosił 0-60 000 ppb. Dron z modułem czujnika gazu utrzymywał się w powietrzu w tych samych warunkach, co urządzenie EAG. Ponadto jako źródło zapachu, zamiast bombykolu, zastosowano 500 µL etanolu (czystość 99,5%). Typowe sygnały z urządzenia EAG oraz czujnika gazu na dronie przedstawiono na Ryc. 6B. Ze względu na różnice w cząsteczkach substancji zapachowych oraz urządzeniach pomiarowych w tym porównaniu, nie można było przeprowadzić analizy ilościowej. Niemniej jednak wyniki eksperymentalne sugerują, że dron z komercyjnym czujnikiem gazu może mieć trudności z wykrywaniem cząsteczek zapachowych przy wymaganej szybkiej prędkości odpowiedzi i powrotu do stanu wyjściowego. W szczególności czas powrotu czujnika gazu w niniejszym badaniu był znacznie dłuższy niż w przypadku urządzenia EAG z czułkami jedwabnika).

Oceniono również kierunkowość sensora urządzenia EAG zamontowanego na dronie. W niniejszym badaniu kierunek w stronę źródła zapachu zdefiniowano jako 0°, a drona obracano zgodnie z ruchem wskazówek zegara w odstępach 60°, aby ocenić intensywność sygnału pod każdym kątem. W przypadku drona bez obudowy sensora intensywność sygnału przy 180°, gdy dron był skierowany w stronę przeciwną do źródła zapachu, była sporadycznie wyższa niż przy 0° (Rysunek 6C). Jednak w przypadku drona wyposażonego w obudowę, intensywność sygnału EAG przy 0° stała się wyższa niż przy 180° (Rysunek 6D). W konsekwencji obudowa sensora poprawiła kierunkowość urządzenia EAG na dronie.

Przeprowadzono demonstrację śledzenia zapachu przy użyciu drona biohybrydowego z obudową czujnika. Wyniki wskazały, że dron wykrył bombykol w powietrzu poza tunelem aerodynamicznym i zidentyfikował kierunek pióropusza zapachowego za pomocą ruchów obrotowych (Rysunek 7, Wideo uzupełniające S1). Na koniec, przy użyciu drona biohybrydowego, przeprowadzono lokalizację źródła zapachu w oparciu o algorytm spiral-surge (Rysunek 8A). W punkcie startowym dron został ustawiony pod kątem 270° względem źródła zapachu. Po zawisnięciu dron rozpoczął poszukiwanie maksymalnej wartości natężenia sygnału podczas spiralnych ruchów zgodnie lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Następnie dron poruszył się naprzód w kierunku maksymalnej wartości natężenia sygnału. Po sześciokrotnym powtórzeniu spiralnych ruchów poszukiwania zapachu i ruchów typu surge, dron wylądował na ziemi. Schemat blokowy algorytmu spiral-surge został opisany w pracy Terutsuki i wsp.26

Trajektoria, kąty odchylenia i sygnały EAG podczas lokalizacji źródła zapachu są przedstawione na Ryc. 8B-D. Ryc. 8D pokazuje, że czas detekcji, obejmujący czas odpowiedzi i powrotu urządzenia EAG na dronie, wynosił około 1 s. Dron autonomicznie modyfikował swój ruch, poszukując maksymalnego stężenia zapachu podczas ruchów spiralnych. Czytelnicy mogą obejrzeć filmy z lokalizacji źródła zapachu przez drona biohybrydowego opisanego przez Terutsuki i wsp.26.

Ćma, czujnik elektroniczny i zestaw do oczyszczania powietrza do analizy monitoringu środowiska.
Rysunek 1: Jedwabnik, urządzenie EAG oraz system stymulacji zapachowej. (A) Zdjęcie samca jedwabnika. (B) Zdjęcie montowalnego urządzenia EAG do małego drona. (C) Zdjęcie systemu stymulacji zapachowej z kierunkami przepływu powietrza. Skrót: EAG = elektroantenografia. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Mikrostruktura czułków ćmy; szczegółowe obrazy do badań anatomicznych i sensorycznych.
Rysunek 2: Izolacja czułka jedwabnika. (A) Izolacja czułka jedwabnika przy użyciu nożyczek pośmiertnych. (B) Typowy izolowany czułek jedwabnika. (C) Powiększony widok izolowanego czułka jedwabnika; pasek skali = 0.5 mm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Schemat eksperymentu stymulacji zapachowej czułek ćmy jedwabnika z elektrodami i interfejsem sterującym.
Rycina 3: Konfiguracja urządzenia EAG i GUI. (A) Mocowanie odizolowanej czułki ćmy jedwabnika na elektrodach urządzenia EAG przy użyciu żelu. (B) Konfiguracja stymulacji zapachowej przy użyciu urządzenia EAG na stole laboratoryjnym. (C) GUI do przeprowadzania eksperymentów. Skróty: EAG = elektroantenografia; GUI = graficzny interfejs użytkownika. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Dron wyposażony w antenę jedwabnika do badań nad czujnikami; zawiera komponenty i schemat konfiguracji.
Rysunek 4: Dron biohybrydowy. (A) Dron biohybrydowy oparty na antenie jedwabnika. (B) Dron biohybrydowy z obudową czujnika. (C) Konfiguracja drona biohybrydowego. Paski skali (A, B) = 50 mm. Skrót: CFRP = tworzywo wzmocnione włóknem węglowym. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres natężenia sygnału EAG w elektrofizjologii; dane napięcia w funkcji czasu; badania neuronaukowe.
Rysunek 5: Typowy profil odpowiedzi ciągłej urządzenia EAG na biurku stymulowanego bombykolem. Skrót: EAG = elektroantenografia. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Eksperyment wykrywania gazu za pomocą drona; konfiguracja cyrkulatora; wykres EAG w porównaniu z czujnikiem gazu; wykresy radaru wiatrowego.
Rysunek 6: Środowisko eksperymentalne drona bio-hybrydowego i intensywność sygnału urządzenia EAG. (A) Zdjęcie środowiska eksperymentalnego z dronem bio-hybrydowym, który autonomicznie zawisł 95 cm nad ziemią w odległości 90 cm od źródła zapachu. (B) Porównanie typowych sygnałów urządzenia EAG i komercyjnego czujnika gazu na dronie. (C) Typowa intensywność sygnału urządzenia EAG bez obudowy czujnika na dronie dla każdego kąta (N = 1). (D) Średnia intensywność sygnału urządzenia EAG z obudową na dronie dla każdego kąta (N = 3; poszczególne testy). Jednostką intensywności sygnałów jest V. Panele C i D zostały zmodyfikowane na podstawie pracy Terutsuki i wsp.26. Skróty: EAG = elektroantenografia; TVOC = całkowita zawartość lotnych związków organicznych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Detekcja zapachu przez drona; odpowiedź sygnału EAG; czteropanelowy eksperyment ilustrujący ruch wywołany zapachem.
Rycina 7: Manualna stymulacja zapachowa w celu zademonstrowania detekcji i śledzenia zapachu w pomieszczeniu przez drona bio-hybrydowego. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Eksperyment nawigacji zapachowej: konfiguracja drona, ścieżki ruchu, kąt odrywania, sygnał EAG na wykresach naukowych.
Rysunek 8: Lokalizacja źródła zapachu przez drona bio-hybrydowego. (A) Widok z kamery sufitowej obszaru lotu drona bio-hybrydowego. (B) Typowa trajektoria lotu, (C) kąty odrywania i (D) intensywności sygnału EAG podczas lokalizacji źródła zapachu przy użyciu algorytmu spiral-surge. Rysunki te przedstawiają reprezentatywne wyniki (N=1). A-D zostały zmodyfikowane na podstawie pracy Terutsuki i wsp.26. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wideo uzupełniające S1: Demonstracja manualnej stymulacji zapachowej z wykorzystaniem drona biohybrydowego. Kliknij tutaj, aby pobrać to wideo.

Dyskusja

Roboty mobilne z urządzeniami EAG zostały po raz pierwszy opracowane 25 lat temu20 lat temu. Od tego czasu nastąpił znaczny postęp w technologiach robotycznych, w tym dronach. Biorąc pod uwagę ten postęp technologiczny, opracowaliśmy autonomicznego biohybrydowego drona z urządzeniem EAG opartym na antenie silkmoth do wykrywania i lokalizacji zapachów w powietrzu26. Badanie to demonstruje działanie opracowanego biohybrydowego drona oraz śledzenie ręcznej stymulacji zapachów w pomieszczeniu za pomocą drona.

W tym badaniu, ponieważ czułki jedwabnej były przymocowane do elektrod za pomocą żelu przewodzącego prąd elektryczny, sprawdziliśmy, że oba końce każdej anteny bezpiecznie stykały się z elektrodami przed rozpoczęciem eksperymentów EAG na biurku lub dronie. Jeśli sygnały z urządzenia EAG zostałyby nagle utracone podczas eksperymentu, badacz najpierw sprawdzałby połączenie anteny z elektrodami. Możliwe, że ten problem wystąpił z większym prawdopodobieństwem w eksperymentach EAG na dronie. Podczas gdy żywotność izolowanych czułków jedwabnika wynosi ponad godzinę, ponieważ żel wysechł w ciągu kilkunastu do kilkudziesięciu minut w tym badaniu, dodanie żelu do punktów łączących czułki i elektrody może pomóc w odzyskaniu intensywności sygnału.

Dron w tym badaniu został wyposażony w VPS składający się z kamery i czujnika podczerwieni do stabilizacji lotu. Odkryliśmy, że dron dryfował podczas unoszenia się na gładkiej podłodze, co mogło spowodować niestabilność czujnika podczerwieni pod korpusem drona. Ten sam problem pojawiał się czasami, gdy eksperymenty przeprowadzano przy użyciu tego drona w pomieszczeniu z gładką podłogą, taką jak płytki. W związku z tym pokryliśmy podłogę podniesionymi dywanami (użyliśmy czterokolorowych dywanów o powierzchni 45 cm × 45 cm) i ograniczyliśmy dryf drona. Proces ten okazał się przydatny do stabilizacji lotu eksperymentów EAG na dronie.

Znaczenie biohybrydowego drona w tym badaniu polega na jego zdolności do rozpoznawania stężenia zapachu i kierunkowości czujnika w kierunku źródeł zapachów. Dron zidentyfikował w czasie rzeczywistym różnice w stężeniu nawanianków na zewnątrz tunelu aerodynamicznego i zlokalizował źródło za pomocą algorytmu spiralnego wzrostu (ryc. 8). Algorytm fal spiralnych29,30 nie wymaga informacji o lokalizacji pióropusza podczas ponownego pozyskiwania pióropusza i wykazuje stosunkowo wysoką niezawodność, w porównaniu z algorytmem odlewania, przy niskim przepływie laminarnym30. Algorytm ten został wcześniej zainstalowany na naziemnym robocie mobilnym30; Do rozpoznania kierunku wiatru potrzebny był jednak czujnik kierunku wiatru. Informacje o zapachu zostały zbinaryzowane, a koncentracja zignorowana.

W przypadku drona opartego na antenie owada montaż dodatkowych czujników, takich jak czujniki wiatru, jest kompromisem między ładownością a zużyciem baterii. Ponadto informacje o zapachu wykryte przez EAG na dronie były nadal oceniane w celu ustalenia, czy przekroczył on próg25. Konstrukcja biohybrydowego drona zastosowana w tym badaniu zwiększyła kierunkowość samego urządzenia EAG i nie wymagała czujnika kierunku wiatru. Kierunkowość czujnika umożliwiła dronowi wykorzystanie informacji o stężeniu zapachu podczas ruchów spiralnych w pomieszczeniu, które było bardziej złożone niż tunel aerodynamiczny. W tym badaniu zastosowano cylindryczną obudowę; Jednak w przyszłości powinna zostać opracowana bardziej wyszukana i lekka obudowa.

Badany w tym badaniu biohybrydowy dron ma jednak pewne ograniczenia. Na przykład odległość lokalizacji źródła zapachu była nadal ograniczona. Ze względu na dużą mobilność drony powinny być zdolne do poszukiwania zapachów na duże odległości rzędu kilkudziesięciu metrów. Jednak odległość osiągnięta przez biohybrydowego drona opartego na antenie owadów była ograniczona do 2 m26, a testy lokalizacji źródła zapachu przeprowadzono w tunelu aerodynamicznym o ograniczonej przestrzeni25. Wydłużenie odległości poszukiwań jest niezbędne do opracowania praktycznej platformy lotniczej wykrywającej zapachy.

W przypadku poszukiwań na duże odległości (powyżej 10 m) wymagana jest wysoka kierunkowość czujnika i wydajny algorytm lokalizacji źródła zapachu, biorąc pod uwagę, że spodziewane jest rozcieńczenie stężenia zapachu i złożony rozkład pióropusza zapachu. Detekcja stereo za pomocą dwóch anten tego samego owada może zwiększyć kierunkowość23. Większość eksperymentów z lokalizacją źródeł zapachów przy użyciu małych dronów z komercyjnymi czujnikami gazu przeprowadzono przy użyciu jednego czujnika, a zestaw urządzeń EAG na dronach nie został przeprowadzony. W związku z tym należy opracować zestaw urządzeń EAG dla małych dronów, aby zwiększyć ich potencjał w zakresie wykrywania zapachów. Macierz urządzeń EAG ułatwiłaby również opracowanie wydajnego algorytmu lokalizacji źródła zapachu, ponieważ pozwala na bardziej precyzyjną lokalizację pióropusza zapachu.

Biohybrydowe drony wykrywające zapachy oparte na antenach owadów przyczyniają się zarówno do badań podstawowych, jak i stosowanych. Z punktu widzenia badań podstawowych, takie drony mogą być wykorzystywane jako platformy testowe do opracowywania algorytmów lokalizacji źródeł zapachów. Wcześniej zaproponowano różne algorytmy31; Jednak platformy testowe wykorzystujące robota mobilnego, który przeprowadzał dwuwymiarowe wyszukiwanie zapachów lub komercyjne czujniki gazu, wykazały ograniczoną wydajność. W tych konfiguracjach proponowanym algorytmom trudno jest wykazać swoją wydajność. Biohybrydowy dron w tym badaniu wykazał się zdolnością rozpoznawania stężenia zapachu, a także kierunkowością, czułością i selektywnością czujnika. W związku z tym jest bardzo obiecujący do instalacji w bardziej zaawansowanych lub trójwymiarowych algorytmach lokalizacji źródeł zapachów.

Jeśli chodzi o zastosowania, biohybrydowe drony mogą być wykorzystywane w misjach, do których żywe zwierzęta mogą mieć trudności ze zbliżeniem się, takich jak wykrywanie toksycznych wycieków chemicznych/biologicznych, materiałów wybuchowych oraz operacje poszukiwawczo-ratownicze. Aby zastosować takie drony w tych misjach, anteny owadów muszą wykrywać cząsteczki odorów zawarte w docelowych źródłach zapachów. Czułki jedwabnej mogą być modyfikowane genetycznie32 tak, aby miały potencjał do wykrywania cząsteczek zapachowych innych niż feromon płciowy samicy jedwabnej; W ten sposób aplikacje te stają się teraz rzeczywistością.

Oświadczenia

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Podziękowania

Ta praca była częściowo wspierana przez grant badawczy z The Murata Science Foundation. Autorzy pragną podziękować firmie Smart Robotics Co., Ltd., Tokio, Japonia, za pomoc w rozwoju platform dronowych i programowaniu oraz Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japonia, za pomoc w projektowaniu obwodów elektronicznych. Autorzy pragną również podziękować dr Shigeru Matsuyamie (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) za dostarczenie oczyszczonego bombykolu; Panu Takuya Nakajo (RCAST, Uniwersytet Tokijski) za wsparcie hodowli jedwabnej; oraz panu Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) za wsparcie w pozyskiwaniu obrazów jedwabników.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AnemometrMK Scientific, Kanagawa, JaponiaCyrkulator DT-8880
IRIS OHYAMA Inc., Miyagi, JaponiaPCF-SC15T
Kompaktowa pompa powietrzaAS ONE Corporation, Osaka, JaponiaNUP-1
DroneShenzhen Ryze Tech Co., Ltd.Tello EDURyze Tech otwiera Tello EDU SDK. Nasz kod źródłowy oparty jest na SDK 2.0 Use Guide.
https://dl-cdn.ryzerobotics.com/downloads/Tello/Tello%20SDK%202.0%20User%20Guide.pdf
Możesz pobrać kod Pythona (Tello3.py.) i tworzyć programy lotnicze.
Urządzenie EAGWykonaneUrządzenie EAG posiada niestandardowe oprogramowanie do pomiaru sygnałów i komunikacji z komputerem.
Żel przewodzący prąd elektrycznyParker Laboratories, NJ, USASpectra 360
EtanolFUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japonia057-00456
PrzepływomierzKOFLOC, Kioto, JaponiaRK1600R-12-B-Air-20
Czujnik gazuSensirion AG, Stä fa, Szwajcariaużyć płytki wyprowadzającej SGP30 SGP30.
Możesz zapoznać się z biblioteką github Adafruit_SGP30.
https://github.com/adafruit/Adafruit_SGP30
Szczelnie zamknięta butelka do przechowywaniaFUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japonia290-35731
MikrokontrolerM5Stack, Shenzhen, ChinyM5StickC
Dietajedwabników czystej krwiNosan Corporation Life Tech Department, Kanagawa, Japoniakiełbasy
SilkmothUeda-sansyu, Nagano, Japoniahybrydowa odmiana Kinshu & times; Zawór elektromagnetyczny Showa
Takasago Electric, Inc., Nagoja, JaponiaWi-Fi YDV-3-1/8
Yamaha Corporation, Shizuoka, JaponiaWLX313
na zamówienie Można Rodzaj Punkt dostępowy

Bibliografia

  1. Burgués, J., Marco, S. Environmental chemical sensing using small drones: A review. Science of the Total Environment. 748, 141172(2020).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Burgués, J., Hernández, V., Lilienthal, A. J., Marco, S. Smelling nano aerial vehicle for gas source localization and mapping. Sensors. 19 (3), 478(2019).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Bozkurt, A., Lobaton, E., Sichitiu, M. A biobotic distributed sensor network for under-rubble search and rescue. Computer. 49 (5), 38-46 (2016).
  8. Yu, Y., et al. Intelligence-augmented rat cyborgs in maze solving. PLoS One. 11 (2), 0147754(2016).
  9. Cazenille, L., et al. How mimetic should a robotic fish be to socially integrate into zebrafish groups. Bioinspiration & Biomimetics. 13, 025001(2018).
  10. 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).
  11. Bohbot, J. D., Vernick, S. The emergence of insect odorant receptor-based biosensors. Biosensors. 10 (3), 26(2020).
  12. Terutsuki, D., et al. Increasing cell-device adherence using cultured insect cells for receptor-based biosensors. Royal Society Open Science. 5 (3), 172366(2018).
  13. Terutsuki, D., Mitsuno, H., Kanzaki, R. 3D-printed bubble-free perfusion cartridge system for live-cell imaging. Sensors. 20 (20), 5779(2020).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Rüffer, D., Hoehne, F., Bühler, J. New digital metal-oxide (MOx) sensor platform. Sensors. 18 (4), 1052(2018).
  29. Hayes, A. T., Martinoli, A., Goodman, R. M. Distributed odor source localization. IEEE Sensors Journal. 2 (3), 260-271 (2020).
  30. 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).
  31. Chen, X., Huang, J. Odor source localization algorithms on mobile robots: A review and future outlook. Robotics and Autonomous Systems. 112, 123-136 (2019).
  32. 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).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Urz dzenie do elektroantenografiidron biohybrydowydetekcja cz steczek zapachowychowadzi biosensor w chowyobudowa sensoradetekcja bombykoluspiralny algorytm przeszukiwaniadetekcja zapach w przenoszonych drog powietrzn
Biohybrydowy dron wykrywający zapachy oparty na elektroantennografii wykorzystujący anteny Silkmoth do lokalizacji źródła zapachów
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.