Biohybrydowy dron wykrywający zapachy oparty na elektroantennografii wykorzystujący anteny Silkmoth do lokalizacji źródła zapachów
27 sierpnia 2021
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.
Biohybrydowy dron z czułkami jedwabnika może współpracować z wydajnym narzędziem do wykrywania cząsteczek zapachu i odpowiednią platformą lotu do opracowywania algorytmów lokalizacji źródła zapachu. Główną zaletą jest to, że bio hybrydowy dron ma kierunkowość czujnika w kierunku źródeł zapachów, ze względu na wyposażenie obudowy czujnika. Zacznij od odizolowania czułków jedwabnej za pomocą nożyczek pośmiertnych bez znieczulenia.
Przeciąć obie strony izolowanych czułków jedwabnej i użyć żelu przewodzącego prąd elektryczny, aby przymocować je do elektrod pokrytych srebrem i chlorkiem srebra części czujnikowej elektroantennografii lub urządzenia EAG. Podłączyć szklaną rurkę zawierającą bombykol do systemu stymulacji zapachu, upewniając się, że pompa jest już włączona. Zbuduj szklaną rurkę tak, aby jej końcówka znajdowała się w odległości 10 milimetrów od jedwabnych czułków ustnych w urządzeniu EAG.
Ustaw płytę wydechową o średnicy 60 milimetrów 30 milimetrów za urządzeniem EAG, aby ustabilizować przepływ powietrza i zapobiec stagnacji feromonów. Włącz urządzenie EAG, a następnie uruchom program do akwizycji danych na komputerze. Naciśnij przycisk uziemienia w menu dziennika, aby zdecydować o stanie eksperymentalnym, a następnie naciśnij przycisk uruchamiania dziennika, aby uzyskać dane. Pięć sekund po naciśnięciu przycisku start dziennika zainicjuj stymulację zapachową.
Naciśnij przycisk zatrzymania dziennika w graficznym interfejsie użytkownika lub graficznym interfejsie użytkownika, aby zatrzymać nagrywanie. Odizoluj czułki jedwabnej za pomocą nożyczek pośmiertnych i odetnij obie strony czułków. Przymocuj izolowane anteny do elektrod pokrytych srebrem i chlorkiem srebra części czujnikowej urządzenia EAG za pomocą żelu przewodzącego prąd elektryczny.
Podłączyć szklaną rurkę zawierającą bombykol do systemu stymulacji zapachu przy już włączonej pompie. Ustaw szklaną rurkę tak, aby rurka i jej końcówka były odpowiednio równoległe do krawędzi biurka i bezpośrednio nad nią. Ustaw cyrkulator tak, aby środek wentylatora znajdował się 15 centymetrów od krawędzi biurka.
Ustaw prędkość wiatru pompy cyrkulacyjnej na jedną lub minimalną moc, naciskając przycisk na konsoli. Zamontuj urządzenie EAG na dronie. Podłącz komputer do punktu dostępu Wi-Fi.
Włącz urządzenie EAG i drona. Uruchom program do sterowania dronem na komputerze. Po tym, jak lampka na dronie zacznie migać na żółto, naciśnij przycisk polecenia SDK w menu poleceń w graficznym interfejsie użytkownika komputera, aby wykonać polecenie, a następnie naciśnij przycisk startu na graficznym interfejsie użytkownika, aby zawisnąć drona nad ziemią. Po naciśnięciu przycisku lotu w menu dziennika, aby zdecydować o stanie eksperymentalnym, naciśnij przycisk uruchamiania dziennika dla tego akwizycji.
Naciśnij przycisk zatrzymania dziennika w graficznym interfejsie użytkownika, aby zatrzymać nagrywanie. Włóż część czujnikową urządzenia EAG do obudowy czujnika. Ustaw odległość między końcówką elektrod a końcówką obudowy na 10 milimetrów.
Podłącz do izolowanych anten jedwabnej do elektrod, jak opisano wcześniej, i zamontuj urządzenie EAG z zamknięciem czujnika na dronie. Najedź dronem tak, aby rozpoczął ruch obrotowy o około 90 stopni w lewo i w prawo. Podczas tych ruchów stymuluj urządzenie EAG na dronie za pomocą zakraplaczy foliowych zawierających bombykol
.Wykonaj ten krok w sumie cztery razy. Zaobserwowano, że proponowane urządzenie EAG w sposób powtarzalny reagowało na stymulację zapachową. Dron wyposażony w urządzenie EAG unosił się na wysokości 95 centymetrów od podłogi i w odległości 90 centymetrów od źródła zapachu.
Zarejestrowano typowe sygnały urządzenia EAG i czujnika gazu na dronie. W przypadku drona bez obudowy czujnika intensywność sygnału pod kątem 180 stopni, gdy dron był skierowany w kierunku przeciwnym do źródła zapachu, była czasami wyższa niż przy zeru stopniach. Jednak w przypadku drona wyposażonego w obudowę natężenie sygnału EAG przy zeru stopni stało się wyższe niż przy 180 stopniach.
Wyniki wykazały, że dron wykrył bombykol w powietrzu poza tunelem aerodynamicznym i zidentyfikował kierunek smugi zapachu poprzez ruchy obrotowe. Lokalizacja źródła zapachu została przeprowadzona w oparciu o ten spiralny algorytm wyszukiwania przy użyciu biohybrydowego drona. Trajektoria drona, kąty odchylenia i sygnały EAG podczas lokalizacji źródła zapachu zostały zarejestrowane do analizy.
Sygnały EAG wykazały, że czas wykrywania, w tym czas reakcji i odzyskiwania, urządzenia EAG na dronie wynosił około jednej sekundy. Prace nad bio-hybrydowym dronem utorowały drogę do skonstruowania wydajnej platformy wykrywania cząsteczek zapachowych w dziedzinie biorobotyki hybrydowej.
Przegląd
To badanie przedstawia protokoły eksperymentalne dla bio-hybrydowego drona wykrywającego zapachy wykorzystującego czułki z motyla jedwabnika. Badania szczegółowo opisują działanie urządzenia elektroantennogramu oraz projekt drona do lokalizacji źródeł zapachów.
Kluczowe elementy badania
Obszar nauki
- Neuronauka
- Robotyka bio-hybrydowa
Tło
- Czułki motyla jedwabnika są wrażliwe na cząsteczki zapachu.
- Elektroantennografia (EAG) to technika stosowana do pomiaru reakcji tych czułków na zapachy.
- Dron bio-hybrydowy może zwiększyć zdolności wykrywania zapachów.
- Lokalizacja źródła zapachu jest kluczowa dla różnych zastosowań, w tym monitorowania środowiska.
Cel badania
- Opracowanie drona bio-hybrydowego, który może efektywnie wykrywać i lokalizować źródła zapachów.
- Wykazanie funkcjonalności czułków motyla jedwabnika w środowisku drona.
- Wykorzystanie algorytmu spiralnego wzrostu do lokalizacji źródeł zapachu.
Stosowane metody
- Izolacja czułków motyla jedwabnika i przymocowanie do urządzenia EAG.
- Konfiguracja systemu stymulacji zapachu przy użyciu bombykolu.
- Integracja urządzenia EAG z dronem w celu pozyskiwania danych.
- Zaimplementowanie algorytmu spiralnego wyszukiwania do lokalizacji zapachu.
Główne wyniki
- Urządzenie EAG niezawodnie reagowało na stymulacje zapachowe.
- Dron wykrył bombykol i zidentyfikował kierunek strugi zapachu.
- Intensywność sygnału różniła się w zależności od obecności obudowy czujnika.
- Czas wykrycia urządzenia EAG wynosił około jednej sekundy.
Wnioski
- Dron bio-hybrydowy reprezentuje znaczny postęp w technologii wykrywania zapachów.
- To badanie otwiera drogę dla przyszłych zastosowań w robotyce bio-hybrydowej.
- Dalsze badania mogą poprawić efektywność algorytmów lokalizacji zapachów.
Często zadawane pytania
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
