Summary
Denne undersøgelse introducerer eksperimentelle protokoller for en bio-hybrid lugtdetektering drone baseret på silkemoth antenner. Driften af en eksperimentel elektroantennogram enhed med silkmoth antenner præsenteres, ud over strukturen af en bio-hybrid drone designet til lugt kilde lokalisering ved hjælp af spiral-bølge algoritme.
Abstract
Små droner med kemiske eller biosensorer, der kan detektere luftbårne lugtmolekyler, har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed på grund af deres anvendelighed i miljø- og sikkerhedsovervågning og eftersøgnings- og redningsoperationer. Små droner med kommercielle metaloxid-halvleder (MOX) gassensorer er blevet udviklet til lugtkilde lokalisering; Men deres real-time-lugt-detektion ydeevne har vist sig utilstrækkelig. Biosensingteknologier baseret på insekt olfaktoriske systemer udviser imidlertid relativt høj følsomhed, selektivitet og realtidsrespons med hensyn til lugtmolekyler sammenlignet med kommercielle MOX-gassensorer. I sådanne anordninger fungerer udskårne insektantenner som bærbare lugtstofbiosensorelementer og har vist sig at levere fremragende sensingydelse. Denne undersøgelse præsenterer eksperimentelle protokoller for lugtstof-molekyle detektion i luften ved hjælp af en lille autonom bio-hybrid drone baseret på en monterbar elektroantennografi (EAG) enhed indarbejde silkemoth antenner.
Vi udviklede en monterbar EAG-enhed, herunder sensing/ behandling af dele med et Wi-Fi-modul. Enheden var udstyret med et simpelt sensorkabinet for at forbedre sensorens directivity. Således lugt kilde lokalisering blev udført ved hjælp af spiral-bølge algoritme, som ikke antager en vindretningen. Den eksperimentelle bio-hybrid lugt-detektering drone identificeret real-time odorant-koncentration forskelle i en pseudo-åben miljø (uden for en vindtunnel) og lokaliseret kilden. Den udviklede drone og tilhørende system kan tjene som en effektiv lugtstof molekyle-detektion værktøj og en passende flyvning platform til udvikling af lugt kilde lokalisering algoritmer på grund af sin høje programmerbarhed.
Introduction
Med de seneste fremskridt er små droner med kemiske sensingsenheder blevet yderst anvendelige inden for miljø- og sikkerhedsovervågning og gaslækagedetektering1. Små droner (med en diameter ca. < 20 cm) med kommercielle metaloxid-halvleder (MOX) gassensorer er for nylig blevet anvendt til at udføre lugt kortlægning eller lugt kilde lokalisering2,3,4. Når du søger efter lugtkilder, skal en drone spore lugtfaner; Lugtkilde lokalisering ved hjælp af små droner udgør imidlertid betydelige udfordringer. I et åbent miljø udsættes lugt-plume strukturer for løbende ændringer på grund af miljømæssige faktorer som vind eller landskab. Derfor bør droner være i stand til at identificere lugtstof-koncentration forskelle og retninger varierende over tid; Lugtdetekteringsydelsen for kommercielle MOX-sensorer er dog stadig utilstrækkelig til realtidsføling på grund af deres langsomme restitutionstid5.
Biohybridsystemer dannet ved sammenlægning af biologiske og kunstige systemer er en nylig tendens inden for robotteknologi og sensorteknologier6, der viser et stort potentiale for at overgå mulighederne i eksisterende tilgange. For eksempel er der udviklet et biorobotsensornetværk baseret på kakerlakker til anvendelse i katastrofesituationer7. Forsøg er blevet udført, hvor cyborg rotter med beregningsmæssigt forbedret intelligens fik til opgave at løse labyrinter8. Muligheden for social integration af biomimetiske robotter i grupper af ægte zebrafisk er blevet undersøgt9.
Naturligvis er denne tendens blevet anvendt til at udvikle lugtstof sensorer10. For eksempel har biosensorer baseret på insekt olfaktoriske systemer relativt høj følsomhed og selektivitet med hensyn til forskellige lugtstofmolekyler sammenlignet med eksisterende MOX-sensorer11. I denne retning havde vi tidligere udviklet biohybrid-lugtstofbiosensorsystemer baseret på en kombination af insektceller, der udtrykker insektlugstofreceptorer og et mikroskop eller elektroniske enheder12,13,14,15,16. Desuden kan insektantenner uafhængigt anvendes som bærbare lugtstofsensingdele med høj følsomhed, selektivitet, reproducerbarhed og hurtig respons / restitutionstid ved hjælp af elektroantennografi (EAG) teknik17,18,19. Flere jordmobile lugt-sensing robotter med EAG teknikker baseret på insekt antenner20,21,22,23 eller små droner med EAG enheder24,25 er blevet udviklet til lugt afsløring og lugt kilde lokalisering. Disse robotter viste sensorfølsomhed og realtidsfølende evne. Mobiliteten af jordmobile robotter påvirkes imidlertid betydeligt af landegenskaber eller forhindringer. Derudover er flyveydelses- og lugtkilde lokaliseringsalgoritmerne for eksisterende EAG-baserede biohybriddroner fortsat begrænsede, fordi eksperimentelle forhold har været begrænset til tøjret flyvning24 eller til at blive udført i en lille vindtunnel25.
Denne undersøgelse præsenterer eksperimentelle protokoller for lugtdetektering i luft- og lugtkilde lokalisering ved hjælp af en nyligt udviklet biohybriddrone baseret på silkemoth (Bombyx mori) antenner26. Vi udviklede en monterbar og let EAG-enhed med en trådløs kommunikationsfunktion til at registrere lugtresponsen fra silkemothantenner. EAG-enheden blev monteret på en lille drone, installeret i et simpelt sensorkabinet for at forbedre sensorens anvendelighed for lugtmolekyler og reducere støj. Bio-hybrid drone reroducibly opdaget luftbårne lugtstof molekyler og identificeret den maksimale lugtstof koncentration under spiral bevægelser. Desuden lokaliserede dronen lugtkilden ved hjælp af spiralbølgealgoritmen uden oplysninger i vindretning.
Protocol
1. Insekter
BEMÆRK: Æg af silkemoths (Bombyx mori) blev købt fra et indenlandsk selskab. Silkemotherne blev brugt inden for 10 dage efter, at de kom ud af kokoner. Forbered tre voksne silkemoths til eksperimenterne (seks antenner); Dette tal kan dog ændres afhængigt af forsøgskravene.
- Inkuber silkemothæg ved 15 °C i 24 timer, og flyt dem til en inkubator ved 25 °C.
BEMÆRK: Silkeormene klækkes ca. 10-13 dage senere. - Placer silkeormene på skiver kunstig kost i en plastikskål.
- Efter 20-25 dage med silkeorm, der hæver, observere dannelsen og hvalpen af silkeormene inden for kokoner.
BEMÆRK: Dyrkningsproceduren omfatter fodring, fjernelse og afspritning i et miljø ved 25 °C. Silkemotherne kommer ud af kokonerne efter 10-15 dage.
2. Lugtstoffer og lugt kilde forberedelse
BEMÆRK: Den vigtigste komponent i den kvindelige silkemoth sex feromon, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), blev brugt som en lugt kilde til at udføre stimulation. En mandlig silkemoth (Figur 1A) kan identificere og diskriminere bombykol27, og isolerede silkemoth antenner er blevet brugt til at fungere som en biosensor på mobile robotter20,21,22. Opbevar renset bombykol opløst i hexan (10 mg/mL) i en højforseglet opbevaringsflaske i køleskab ved −30 °C.
- Sæt en sprøjte i den tætforseglede opbevaringsflaske, og 2 mL 2000 ng/μL bombykol trækkes tilbage og indsprøjtes 2 mL 2000 ng/μL bombykol i et 10 mL-hætteglas. Derefter tilsættes 8 mL hexan til samme hætteglas.
- Fortynd 400 ng/μL bombykol til 2 ng/μL bombykol med hexan i et 1 mL hætteglas.
- Skær filterpapiret i 10 mm × 10 mm stykker, rul det i cylindrisk form, og læg det i et glasrør (indvendig diameter [ID]: 5 mm; ydre diameter [OD]: 7 mm; længde [L]: 100 mm).
- Smid en fortyndet prøve (100 ng bombykol opløst i 50 μL hexan) på en del af filterpapiret i glasrøret.
- Luk begge ender af glasrøret med filterpapiret ved hjælp af poly-droppere skåret i midten.
3. EAG-eksperimenter på en fast skrivebordsoverflade
BEMÆRK: Den monterbare EAG-enhed, der fungerer som en bærbar biosensor på en lille drone, er vist i figur 1B. Enheden inkluderede high-pass (0,1 Hz) og low-pass (300 Hz) filtre. De detaljerede oplysninger om det elektriske kredsløb er beskrevet i Terutsuki et al.26
- Udføre dataindsamling og -analyse på en pc, efter at EAG-enheden har sendt måledataene.
- For at generere renset luft skal du passere luftstrømmen genereret af en kompakt luftpumpe med en køleventilator gennem bomuld, aktivt kulgranulat og destilleret vand. Derefter passerer du den rensede luft gennem et glasrør til stimulering.
BEMÆRK: Et fotografi af lugtstimuleringssystemet er vist i figur 1C. Luftstrømsstien er angivet med sorte pile. Luftstrømsstien for udstødningsporten på magnetventilen er angivet med den stiplede sorte pil. - Indstil strømningshastigheden til 5 L min-1 ved hjælp af et flowmeter til lugtstimulering i den faste eksperimentelle opsætning. Indstil en højere strømningshastighed for generation, forudsat lugtstimuleringer på flere meter til droneforsøgene.
BEMÆRK: At strømningshastigheden (5 L min-1) ikke påvirkede signalregistreringen af EAG-enheden tidligere var blevet bekræftet26. Den maksimale luftstrømshastighed ved EAG-enhedens position under stimuleringen blev målt til 3,9 m s-1 ved hjælp af et anemometer. - Brug en magnetventil med en mikrocontroller til at stimulere EAG-enheden og lede stimuleringerne automatisk.
- Indstil stimuleringstiden til 0,5 s ved hjælp af magnetventilen.
- Brug elektrisk ledende gel til at fastgøre en silkemothantenne til elektroden.
BEMÆRK: Denne procedure kræver ikke indsættelse af mikrometerskalatråde i begge ender af en silkemothantenne for at fastgøre den til EAG-enheden.- Isoler silkemothantenner ved hjælp af postmortem-saks (Figur 2A, B) uden bedøvelse. Se Figur 2C for en forstørret visning af antennen.
- Skær begge sider af den isolerede silkemothantenne, og fastgør den til de Ag/AgCl-coatede elektroder på den sensingdel af EAG-enheden (figur 3A) ved hjælp af elektrisk ledende gel.
- Tilslut glasrøret, der indeholder bombykol, til lugtstimuleringssystemet (sørg for, at pumpen allerede er tændt).
- Fastgør glasrøret, så spidsen er 10 mm fra silkemothantennennen på EAG-enheden (Figur 3B).
- Indstil udstødningsporten (diameter på 60 mm) til 30 mm bag EAG-enheden for at stabilisere luftstrømmen og forhindre feromon stagnation (Figur 3B).
- Tænd for EAG-enheden. Tilslut pc'en til Wi-Fi-adgangspunktet.
- Kør dataindsamlingsprogrammet på pc'en. Se Figur 3C for den grafiske brugergrænseflade (GUI) på pc'en for eksperimenterne.
- Når du har trykket på knappen Jorden i menuen Log for at bestemme forsøgstilstanden, skal du trykke på knappen Logstart for dataindsamling. Fem sekunder efter at have trykket på logstartknappen, skal du starte lugtstimuleringer.
- Tryk på knappen Log stop på gui'en for at stoppe optagelsen.
4. Drone
BEMÆRK: En kommerciel droneflyvningsplatform (98 mm x 93 mm x 41 mm; vægt 87 g; maksimal flyvetid 13 min) blev anvendt i denne undersøgelse. Nyttelasten af dronen var ca. 30 g baseret på eksperimenterne. Dronen var udstyret med et visionspositioneringssystem (VPS) bestående af et kamera og en infrarød sensor under kroppen, hvilket gjorde det muligt at holde fast uden et eksternt positioneringssystem.
- Fjern dronens øverste dæksel, og tilføj et brugerdefineret cfrp-bræt (Carbon Fiber-Forstærket plast) ved hjælp af en tredimensionel (3D)-printet holder til at fastgøre EAG-enheden. Se figur 4A for et billede af biohybriddronen.
BEMÆRK: Droneudvikleren tilbyder et softwareudviklingssæt (SDK) og prøve Python-programmer (se materialetabellen); Derfor var dronekontrolprogrammet for flyveforsøg baseret på disse. - Send flykommandoer gennem pc'en for at styre dronen.
BEMÆRK: Af hensyn til sikkerheden kræves der skærebestandige handsker til at stoppe (fange) dronen i en nødafbryddt. GUI er udstyret med en nødstopknap for straks at stoppe rotationen af dronens propeller (Figur 3C).
5. Forberedelse af flyvende område
- Forbered et eksperimentelt flyveområde (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) og udstyr det med et kommercielt overvågningskamera i loftet.
- Indstil strømningshastighed af lugt stimulation system som 5 L min-1 og stimulation tid til 0,5 s ved hjælp af magnetventilen.
6. EAG eksperimenter på drone
- Isoler silkemothantenner ved hjælp af postmortem saks og skær begge sider af antennen.
- Fastgør de isolerede antenner til de Ag/AgCl-coatede elektroder i den sensingdel af EAG-enheden ved hjælp af elektrisk ledende gel.
- Tilslut glasrøret, der indeholder bombykol (50.000 ng i 250 μL hexan/filterpapir) til lugtstimuleringssystemet (med pumpen allerede tændt).
- Indstil glasrøret, så røret og dets spids er parallelle med og direkte over kanten af skrivebordet, henholdsvis.
- Indstil cirkulationschefen, så den mest fremspringende del (midten af ventilatoren) er 15 cm fra kanten af skrivebordet.
- Indstil cirkulationsværkets vindhastighed til 1 (minimal effekt) ved at trykke på knappen på konsollen.
- Monter EAG-enheden på dronen. Tilslut pc'en til Wi-Fi-adgangspunktet. Tænd EAG-enheden og dronen.
BEMÆRK: Kontakten på EAG-enheden er i behandlingsdelen. - Kør dronekontrolprogrammet på pc'en.
- Når lyset på dronen blinker gult, skal du trykke på den relevante knap i menuen Kommando på pc'ens GUI (Figur 3C) for at udføre kommandoen.
BEMÆRK: Når dronen er tilsluttet pc'en, bliver lyset på dronen grønt. - Tryk på startknappen på GUI'en for at holde dronen over jorden.
- Når du har trykket på knappen Fly i menuen Log for at bestemme forsøgstilstanden, skal du trykke på knappen Logstart for dataindsamling.
BEMÆRK: Lugtstimulering vil blive startet 5 s efter at have trykket på logstartknappen. - Tryk på knappen Log stop på gui'en for at stoppe optagelsen.
- Send Stop-kommandoen i intervaller på 5 s efter dronens lift-off for at opretholde den svævende tilstand, da dronen automatisk lander, hvis den ikke betjenes i ca. 15 s.
- Når lyset på dronen blinker gult, skal du trykke på den relevante knap i menuen Kommando på pc'ens GUI (Figur 3C) for at udføre kommandoen.
7. Sensor kabinet
- Udvikle et sensorkabinet (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) baseret på et kulfiberrør for at forbedre sensorens objektivitet. Se figur 4B, C for et billede af biohybriddronen med sensorkabinet og konfiguration.
- Dæk den sensing del med en varme-krympe isolering rør og fastgør det til den indre væg af kabinettet ved hjælp af dobbeltsidet tape.
- Sæt den sensoriske del af EAG-enheden ind i sensorkabinettet.
- Indstil afstanden mellem spidsen af elektroderne og spidsen af kabinettet som 10 mm.
8. Lugtsporing demonstration ved hjælp af bio-hybrid drone
- Isoler silkemothantenner ved hjælp af postmortem saks og skær begge sider af antennen.
- Fastgør den isolerede antenne til de Ag/AgCl-coatede elektroder på den sensingdel af EAG-enheden ved hjælp af elektrisk ledende gel.
- Monter EAG-enheden med sensorkabinettet på dronen.
- Hold dronen op, så den begynder en cirka 90°-drejebevægelse til venstre og højre.
- Stimulere EAG enheden på dronen ved hjælp af poly-droppers indeholdende bombykol under disse bevægelser.
- Udfør fire cyklusser af trin 8.5.
BEMÆRK: Efter trin 8.6 roterer dronen med uret. Når du udfører stimuleringen under denne bevægelse, vil dronen udføre en mod uret rotation og land.
9. Lugt kilde lokalisering ved hjælp af bio-hybrid drone
- Glasrøret, der indeholder bombykol (50.000 ng i 250 μL hexan/filterpapir) til pumpen, der allerede er tændt.
- Fastgør glasrøret, så spidsen er 150 mm fra cirkulationscirkulationen.
- Definer retningen mod lugtkilden som 0°, og indstil dronen i en vinkel på uret 270° fra lugtkilden ved udgangspunktet.
- Tilslut pc'en til Wi-Fi-adgangspunktet, og tænd for EAG-enheden og dronen.
- Kør dronekontrolprogrammet på pc'en.
- Når lyset på dronen blinker gult, skal du trykke på den relevante knap i menuen Kommando på pc'ens GUI (Figur 3C) for at udføre kommandoen.
BEMÆRK: Når dronen er tilsluttet pc'en, bliver lyset på dronen grønt. - Tryk på startknappen på GUI'en for at holde dronen over jorden.
- Når du har trykket på knappen Søg i menuen Log for at bestemme forsøgstilstanden, skal du trykke på knappen Logstart for dataindsamling. Tryk derefter på knappen Søg start i menuen Kommando for at starte lugtkilde lokalisering ved hjælp af spiral-bølge algoritme og cykliske lugt stimulationer (lugt: 0,5 s; interval: 2,0 s) af lugtkilden.
- Når du har landing af dronen, skal du trykke på logstopknappen på GUI'en for at stoppe optagelsen.
- Når lyset på dronen blinker gult, skal du trykke på den relevante knap i menuen Kommando på pc'ens GUI (Figur 3C) for at udføre kommandoen.
Representative Results
Dette papir beskriver protokollerne for signalmålinger ved hjælp af den foreslåede EAG-enhed monteret på et skrivebord og drone. Først evaluerede vi EAG-enhedens ydeevne på et skrivebord. En silkemothantenne på EAG-enheden blev stimuleret af bombykol. Femogtyve kontinuerlige stimuleringer blev udført ved hjælp af 100 ng bombykol opløst i 50 μL hexan med intervaller på 5 s, som kontrolleret af en mikrocontroller. Resultaterne viste, at den foreslåede EAG-enhed reproducibly reagerede på stimuleringerne (figur 5).
EAG-enhedens lugtdetekteringsydelse blev efterfølgende evalueret på dronen. Dronen udstyret med EAG-enheden svævede i højden på 95 cm fra gulvet og i en afstand af 90 cm fra lugtkilden (Figur 6A). Ved at følge den procedure, der er beskrevet i afsnit 6, blev signalerne fra EAG-enheden på dronen målt i forhold til bombykol (50.000 ng i 250 μL hexan/filterpapir). Sensorydelsen af en kommerciel gassensor på en drone blev evalueret til sammenligning. En digital multi-pixel gassensor28 blev brugt til at detektere ethanoldampe. Denne sensor kan bruges til påvisning af totale flygtige organiske forbindelser (TVOC'er).
Ifølge dataarket var sensorens TVOC-signalområde 0-60.000 ppb. Dronen med gassensorudbryderbrættet svævede under de samme forhold som EAG-enheden. Desuden blev 500 μL ethanol (99,5% renhed) brugt som lugtkilde i stedet for bombykol. De typiske signaler fra EAG-enheden og gassensoren på dronen er vist i figur 6B. Da lugtstofmolekylerne og sensorenhederne var forskellige i denne sammenligning, kunne der ikke foretages kvantitative sammenligninger. De eksperimentelle resultater tyder dog på, at det kan være svært for en drone med en kommerciel gassensor at detektere lugtstofmolekyler med en hurtig respons /restitutionshastighed. Især var gassensorens restitutionstid i denne undersøgelse betydeligt højere end EAG-enhedens med silkemothantenner.
Vi evaluerede også sensorens directivity af EAG-enheden på dronen. I denne undersøgelse blev retningen mod lugtkilden defineret som 0°, og dronen blev roteret med uret med 60 ° intervaller for at evaluere signalintensiteter i hver vinkel. For dronen uden sensorkabinet var signalintensiteten ved 180°, mens dronen i den modsatte retning fra lugtkilden lejlighedsvis var højere end ved 0 ° (Figur 6C). For den drone, der var udstyret med kabinettet, blev signalintensiteten af EAG ved 0° dog højere end ved 180° (Figur 6D). Derfor forbedrede sensorkabinettet EAG-enhedens sensor directivity på dronen.
En lugt-sporing demonstration blev udført ved hjælp af bio-hybrid drone med sensoren kabinet. Resultaterne viste, at dronen opdaget bombykol i luften uden for en vindtunnel og identificeret retningen af lugtfanen ved at dreje bevægelser (Figur 7, Supplerende Video S1). Endelig lugt kilde lokalisering blev udført baseret på spiral-bølge algoritme ved hjælp af bio-hybrid drone (Figur 8A). Dronen blev sat til 270° fra lugtkilden ved udgangspunktet. Efter svævende, drone begyndte at søge efter den maksimale værdi af signalintensiteten under uret eller mod uret spiral bevægelser. Derefter bevægede dronen sig fremad i retning af signalintensitetens maksimale værdi. Efter at have gentaget lugtsøgningsspiralen og bølgebevægelserne seks gange landede dronen på jorden. Rutediagrammet for spiralbølgealgoritmen er beskrevet i Terutsuki et al.26
Bane, gabevinkler og EAG-signaler under lokaliseringen af lugtkilden præsenteres i figur 8B-D. Figur 8D viser, at detektionstiden, herunder respons- og gendannelsestider for EAG-enheden på dronen, var ca. 1 s. Dronen ændrede autonomt sin bevægelse ved at søge efter den maksimale lugtkoncentration under spiralbevægelserne. Læsere kan se videoer af lugtkilde lokalisering af bio-hybrid drone beskrevet af Terutsuki et al.26.
Figur 1: Silkemoth, EAG enhed, og lugt stimulation system. (A) Billede af en mandlig silkemoth. (B) Billede af den monterbare EAG-enhed til en lille drone. (C) Billede af lugtstimuleringssystemet med luftstrømsretninger. Forkortelse: EAG = elektroantennografi. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Isolering af silkemothantenne. (A) Isolering af en silkemothantenne ved hjælp af postmortem saks. (B) Typisk isoleret silkemothantenne. (C) Forstørret udsyn til en isoleret silkemothantenne; skalalinje = 0,5 mm. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: EAG-enhed konfigureret og GUI. (A) Installation af en isoleret silkemothantenne på EAG-enhedens elektroder ved hjælp af gel. (B) Opsætning til lugtstimulering ved hjælp af EAG-enheden på skrivebordet. (C) Gui for eksperimenterne. Forkortelser: EAG = elektroantennografi; GUI = grafisk brugergrænseflade. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: Bio-hybrid drone. (A) Bio-hybrid drone baseret på en silkemothantenne. (B) Bio-hybrid drone med sensoren kabinet. (C) Konfiguration af biohybriddronen. Skalastænger (A, B) = 50 mm. Forkortelse: CFRP = kulfiberforstærket plast. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: Typisk kontinuerlig responsprofil for EAG-enheden på skrivebordet stimuleret af bombykol. Forkortelse: EAG = elektroantennografi. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: Eksperimentelt miljø af biohybriddronen og signalintensiteten af EAG-enheden. (A) Billede af det eksperimentelle miljø med biohybriddronen, som autonomt svævede 95 cm over jorden i en afstand af 90 cm fra lugtkilden. (B) Sammenligning mellem de typiske signaler fra EAG-enheden og den kommercielle gassensor på dronen. (C) EAG-enhedens typiske signalintensitet uden at udstyre sensorkabinettet på dronen i hver vinkel (N = 1). (D) EAG-enhedens gennemsnitlige signalintensitet med indkapslingen på dronen i hver vinkel (N = 3; individuelle test). Enheden af signalintensiteterne er V. C og D er blevet ændret fra Terutsuki et al.26. Forkortelser: EAG = elektroantennografi; TVOC = total flygtige organiske forbindelser. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: Manuel lugtstimulering for at demonstrere detektion og sporing af lugt i et rum af biohybriddronen.
Figur 8: Lugtkilde lokalisering af bio-hybrid drone. (A) Synspunkt fra loftet kameraet af flyvningen område af bio-hybrid drone. (B) Typisk flyvebane, (C) gabevinkler og (D) EAG-signalintensiteter under lokalisering af lugtkilde ved hjælp af spiralbølgealgoritmen. Disse tal er repræsentative resultater (N=1). A-D er blevet ændret fra Terutsuki et al.26. Klik her for at se en større version af dette tal.
Supplerende Video S1: Demonstration af manuel lugt stimulation ved hjælp af bio-hybrid drone.
Discussion
Mobile robotter med EAG-enheder blev først udviklet for 25 år siden20. Siden da har der været betydelige fremskridt inden for robotteknologi, herunder droner. I betragtning af disse teknologiske fremskridt udviklede vi en autonom biohybriddrone med en EAG-enhed baseret på en silkemothantenne til lugtdetektering og lokalisering i luft26. Denne undersøgelse viser driften af den udviklede biohybriddrone og sporingen af manuel stimulering af lugt i et rum ved hjælp af dronen.
I denne undersøgelse, da silkemothantenner var fastgjort til elektroder ved hjælp af elektrisk ledende gel, verificerede vi, at begge ender af hver antenne kom sikkert i kontakt med elektroderne, før vi begyndte EAG-eksperimenter på skrivebordet eller dronen. Hvis signaler fra EAG-enheden pludselig gik tabt under eksperimentet, ville en forsker først kontrollere antennens forbindelse med elektroderne. Det er muligt, at dette problem opstod med en højere sandsynlighed i EAG-eksperimenterne på dronen. Mens levetiden for isolerede silkemothantenner er mere end en time, fordi gelen tørrede ud i et dusin til snesevis af minutter i denne undersøgelse, kan tilsætning af gel til antennernes og elektroderne forbindes med at genoprette signalintensiteter.
Dronen i denne undersøgelse var udstyret med VPS bestående af et kamera og en infrarød sensor til flystabilisering. Vi fandt ud af, at dronen drev under svævende på et glat gulv, hvilket kan have forårsaget ustabiliteten af en infrarød sensor under dronens krop. Det samme problem opstod undertiden, når eksperimenter blev udført ved hjælp af denne drone i et rum med et glat gulv som fliser. Derfor dækkede vi gulvet med hævede tæpper (vi brugte firefarvede tæpper på 45 cm × 45 cm område) og reducerede dronens drift. Denne proces viste sig at være nyttig til flyvestabilisering af EAG-eksperimenterne på dronen.
Betydningen af bio-hybrid drone i denne undersøgelse ligger i dens evne til at genkende lugt koncentration og dens sensor directivity mod lugtkilder. Dronen identificerede forskelle i lugtstofkoncentrationen i realtid uden for en vindtunnel og lokaliserede kilden ved hjælp af spiralbølgealgoritmen (Figur 8). Spiral-surge algoritme29,30 kræver ikke røgfanen-placering oplysninger under plume reacquisition og udviser sin relativt høje pålidelighed, sammenlignet med støbning algoritme, i en lav hastighed laminar flow30. Denne algoritme blev tidligere installeret på en jord mobil robot30; Der var dog behov for en vindretningssensor for at genkende vindretningen. Lugt oplysninger blev binarized, og koncentrationen blev ignoreret.
For den insektantennebaserede drone er montering af yderligere sensorer, såsom vindsensorer, en afvejning mellem nyttelast og batteriforbrug. Derudover blev lugtoplysninger, der blev opdaget af EAG på dronen, stadig vurderet for at afgøre, om de overskred entærskel på 25. Det biohybriddronedesign, der blev anvendt i denne undersøgelse, forbedrede selve EAG-enhedens ledningsevne og krævede ikke en vindretningssensor. Sensorens directivity gjorde det muligt for dronen at udnytte lugtkoncentrationsoplysninger under spiralbevægelser i et rummiljø, der var mere komplekst end en vindtunnel. En cylindrisk kabinet blev brugt i denne undersøgelse; der bør dog udvikles et mere omfattende og let kabinet i fremtiden.
Den biohybriddrone, der undersøges i denne undersøgelse, har dog nogle begrænsninger. For eksempel var afstanden til lugtkilde lokalisering stadig begrænset. På grund af deres høje mobilitet bør droner være i stand til at søge efter lugt over lange afstande i størrelsesordenen flere snese meter. Men afstanden opnået af insektantenne-baserede bio-hybrid drone var begrænset til 2 m26, og lugt kilde lokalisering tests blev udført i en vindtunnel med begrænset plads25. Udvidelse af søgeafstanden er afgørende for udviklingen af en praktisk lugtdetekterende flyveplatform.
For langdistance søgninger (over 10 m), en høj sensor directivity og en effektiv lugt kilde lokalisering algoritme er påkrævet, da fortynding af lugt koncentration og kompleks fordeling af lugtfanen forventes. Stereoføling ved hjælp af to antenner af samme insekt kan øge retningsbestemtheden23. De fleste lugtkilde lokalisering eksperimenter ved hjælp af små droner med kommercielle gas sensorer blev udført ved hjælp af en enkelt sensor, og en EAG enhed array på droner blev ikke gennemført. Derfor skal der udvikles et EAG-enhedssystem til små droner for at øge deres lugt-sensing-applikationspotentiale. EAG-enhedsmatrixen vil også lette udviklingen af en effektiv lugtkilde lokaliseringsalgoritme, da det giver mulighed for mere præcis lokalisering af en lugtfane.
Insektantennebaserede biohybrid-lugtdetekterende droner bidrager til både grundlæggende og anvendt forskning. Fra perspektivet af grundforskning kan sådanne droner bruges som testplatforme til at udvikle lugtkilde lokaliseringsalgoritmer. Der er tidligere foreslået forskellige algoritmer31; Testplatforme ved hjælp af en mobil robot, der udførte todimensionelle lugtsøgninger eller kommercielle gassensorer, har imidlertid udvist begrænset ydeevne. I disse opsætninger er det vanskeligt for foreslåede algoritmer at demonstrere deres ydeevne. Bio-hybrid drone i denne undersøgelse demonstreret lugt koncentration genkendelse evne samt sensor directivity, følsomhed, og selektivitet. Derfor viser det store løfte for installation i mere avancerede eller tredimensionelle lugtkilde lokalisering algoritmer.
Med hensyn til applikationer kan biohybriddroner anvendes på missioner, som levende dyr kan have svært ved at nærme sig, såsom påvisning af giftige kemiske / biologiske lækager, eksplosive materialer og eftersøgnings- og redningsoperationer. For at anvende sådanne droner til disse missioner skal insektantennene opdage lugtstofmolekyler, der er inkluderet i mållugtkilder. Silkmoth antenner kan genetisk modificeres32 for at have potentiale til at opdage lugtstof molekyler andre end den kvindelige silkemoth sex feromon; således er disse applikationer nu ved at blive til virkelighed.
Disclosures
Forfatterne har ingen interessekonflikter at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev delvist støttet af en forskningsbevilling fra The Murata Science Foundation. Forfatterne vil gerne anerkende Smart Robotics Co, Ltd, Tokyo, Japan, for at bistå med udviklingen af drone platforme og programmering og Assist Technology Co, Ltd, Osaka, Japan, for at bistå med udformningen af de elektroniske kredsløb. Forfatterne vil også gerne takke Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) for at give renset bombykol; Takuya Nakajo (RCAST, Tokyo Universitet) for støtte til silkedyravl; og Mr. Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) for at støtte erhvervelsen af silkemoth billeder.
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. Distributed odor source localization. IEEE Sensors Journal. 2 (3), 260-271 (2020).
- 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).
