Summary
Questo studio introduce protocolli sperimentali per un drone bio-ibrido per il rilevamento degli odori basato su antenne silkmoth. Viene presentato il funzionamento di un dispositivo sperimentale di elettroantennogramma con antenne silkmoth, oltre alla struttura di un drone bio-ibrido progettato per la localizzazione della fonte di odore utilizzando l'algoritmo spiral-surge.
Abstract
Piccoli droni con dispositivi chimici o biosensori in grado di rilevare molecole odoranti nell'aria hanno attirato una notevole attenzione a causa della loro applicabilità nel monitoraggio ambientale e di sicurezza e nelle operazioni di ricerca e soccorso. Piccoli droni con sensori di gas commerciali metallo-ossido-semiconduttore (MOX) sono stati sviluppati per la localizzazione delle fonti di odore; tuttavia, le loro prestazioni di rilevamento degli odori in tempo reale si sono dimostrate inadeguate. Tuttavia, le tecnologie di biorisensamento basate su sistemi olfattivi di insetti mostrano sensibilità, selettività e risposta in tempo reale relativamente elevate rispetto alle molecole di odoranti rispetto ai sensori di gas MOX commerciali. In tali dispositivi, le antenne di insetti asportate funzionano come elementi di biosensore odoranti portatili e sono state trovate per fornire eccellenti prestazioni di rilevamento. Questo studio presenta protocolli sperimentali per il rilevamento di molecole odoranti nell'aria utilizzando un piccolo drone bio-ibrido autonomo basato su un dispositivo di elettroantenografia montabile (EAG) che incorpora antenne silkmoth.
Abbiamo sviluppato un dispositivo EAG montabile che include parti di rilevamento/elaborazione con un modulo Wi-Fi. Il dispositivo è stato dotato di un semplice involucro del sensore per migliorare la direttività del sensore. Pertanto, la localizzazione della sorgente di odore è stata condotta utilizzando l'algoritmo spiral-surge, che non assume una direzione di bolina. Il drone sperimentale bio-ibrido per il rilevamento degli odori ha identificato in tempo reale le differenze di concentrazione degli odori in un ambiente pseudo-aperto (al di fuori di una galleria del vento) e ha localizzato la fonte. Il drone sviluppato e il sistema associato possono fungere da efficiente strumento di rilevamento delle molecole odoranti e una piattaforma di volo adatta per lo sviluppo di algoritmi di localizzazione delle fonti di odore grazie alla sua elevata programmabilità.
Introduction
Con i recenti progressi, i piccoli droni con dispositivi di rilevamento chimico sono diventati altamente applicabili nel monitoraggio ambientale e di sicurezza e nel rilevamento di fughe di gas1. Piccoli droni (con un diametro di circa < 20 cm) con sensori di gas commerciali metallo-ossido-semiconduttore (MOX) sono stati recentemente applicati per eseguire la mappatura degli odori o la localizzazione della fonte di odore2,3,4. Quando si cercano fonti di odore, un drone deve tracciare i pennacchi di odore; tuttavia, la localizzazione della fonte di odori utilizzando piccoli droni presenta sfide significative. In un ambiente aperto, le strutture a pennacchio d'odore sono soggette a continui cambiamenti a causa di fattori ambientali come il vento o il paesaggio. Quindi, i droni dovrebbero essere in grado di identificare le differenze di concentrazione di odori e le direzioni che variano nel tempo; tuttavia, le prestazioni di rilevamento degli odori dei sensori MOX commerciali sono ancora inadeguate per il rilevamento in tempo reale a causa del loro lento tempo di recupero5.
I sistemi bio-ibridi formati dalla fusione di sistemi biologici e artificiali sono una tendenza recente nella robotica e nelle tecnologie dei sensori6, mostrando un grande potenziale per superare le capacità degli approcci esistenti. Ad esempio, è stata sviluppata una rete di sensori bio-robotici basata sugli scarafaggi per l'applicazione in situazioni di disastro7. Sono stati condotti esperimenti in cui ratti cyborg con intelligenza computazionalmente migliorata sono stati incaricati di risolvere labirinti8. La possibilità di integrazione sociale di robot biomimetici in gruppi di pesci zebra reali sono stati studiati9.
Naturalmente, questa tendenza è stata applicata per sviluppare sensori di odori10. Ad esempio, i biosensori basati su sistemi olfattivi di insetti hanno sensibilità e selettività relativamente elevate rispetto a varie molecole odoranti rispetto ai sensori MOX esistenti11. In questo senso, avevamo precedentemente sviluppato sistemi di biosensori di odoranti bio-ibridi basati su una combinazione di cellule di insetti che esprimono recettori odoranti di insetti e un microscopio o dispositivi elettronici12,13,14,15,16. Inoltre, le antenne per insetti possono essere utilizzate in modo indipendente come parti portatili di rilevamento degli odori con elevata sensibilità, selettività, riproducibilità e tempi di risposta / recupero rapidi, utilizzando la tecnica dell'elettroantenografia (EAG)17,18,19. Diversi robot di rilevamento degli odori mobili a terra con tecniche EAG basate su antenne di insetti20,21,22, 23 o piccoli droni con dispositivi EAG24, 25 sono stati sviluppati per il rilevamento degli odori e la localizzazione delle fonti di odore. Questi robot hanno mostrato la sensibilità del sensore e la capacità di rilevamento in tempo reale. Tuttavia, la mobilità dei robot mobili terrestri è significativamente influenzata dalle caratteristiche del terreno o dagli ostacoli. Inoltre, le prestazioni di volo e gli algoritmi di localizzazione della fonte di odore dei droni bio-ibridi basati su EAG esistenti rimangono limitati perché le condizioni sperimentali sono state limitate al vololegato 24 o all'essere condotto in una piccola galleria del vento25.
Questo studio presenta protocolli sperimentali per il rilevamento degli odori nell'aria e la localizzazione delle fonti di odore utilizzando un drone bio-ibrido di recente sviluppo basato su antenne a base di seta(Bombyx mori)26. Abbiamo sviluppato un dispositivo EAG leggero e di dimensioni montabili con una funzione di comunicazione wireless per rilevare le risposte agli odori delle antenne silkmoth. Il dispositivo EAG è stato montato su un piccolo drone, installato in un semplice involucro del sensore per migliorare la direttività del sensore per le molecole odoranti e ridurre il rumore. Il drone bio-ibrido ha rilevato in modo riproducibile molecole di odoranti nell'aria e ha identificato la massima concentrazione di odoranti durante i movimenti a spirale. Inoltre, il drone ha localizzato la fonte di odore utilizzando l'algoritmo spiral-surge senza informazioni sulla direzione del vento.
Protocol
1. Insetti
NOTA: Le uova di silkmoths (Bombyx mori) sono state acquistate da una società nazionale. Le cotolette di seta sono state utilizzate entro 10 giorni dopo essere emerse dai bozzoli. Preparare tre setoti adulti per gli esperimenti (sei antenne); tuttavia, questo numero può essere modificato a seconda delle esigenze sperimentali.
- Incubare le uova silkmoth a 15 °C per 24 ore e spostarle in un'incubatrice a 25 °C.
NOTA: I bachi da seta si schiudono circa 10-13 giorni dopo. - Metti i bachi da seta su diete artificiali affettate in un piatto di plastica.
- Dopo 20-25 giorni di allevamento del baco da seta, osservare la formazione e la pupa dei bachi da seta all'interno dei bozzoli.
NOTA: La procedura di coltivazione comprende l'alimentazione, la rimozione e la sanificazione in un ambiente a 25 °C. Le vie della seta emergono dai bozzoli dopo 10-15 giorni.
2. Odoranti e preparazione della fonte di odore
NOTA: Il componente principale del feromone sessuale femminile silkmoth, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), è stato utilizzato come fonte di odore per eseguire la stimolazione. Un filo di seta maschio (Figura 1A) può identificare e discriminare bombykol27, e antenne di seta isolate sono state utilizzate per fungere da biosensore su robot mobili20,21,22. Conservare bombykol purificato disciolto in esano (10 mg/ml) in un flacone di conservazione ad alta tenuta in frigorifero a -30 °C.
- Inserire una siringa nel flacone di conservazione ad alta tenuta e prelevare e iniettare 2 mL di bombykol da 2000 ng/μL in un flaconcino da 10 mL. Quindi, aggiungere 8 ml di esano allo stesso flaconcino.
- Diluire 400 ng/μL di bombykol a 2 ng/μL di bombykol con esano in un flaconcino da 1 mL.
- Tagliare la carta da filtro in pezzi da 10 mm × 10 mm, arrotolarli in una forma cilindrica e metterli in un tubo di vetro (diametro interno [ID]: 5 mm; diametro esterno [OD]: 7 mm; lunghezza [L]: 100 mm).
- Rilasciare un campione diluito (100 ng bombykol disciolto in 50 μL di esano) su una parte della carta da filtro nel tubo di vetro.
- Chiudere entrambe le estremità del tubo di vetro con la carta da filtro utilizzando poli-contagocce tagliati nel mezzo.
3. Esperimenti EAG su una superficie fissa della scrivania
NOTA: il dispositivo EAG montabile, che funziona come un biosensore portatile su un piccolo drone, è mostrato nella Figura 1B. Il dispositivo includeva filtri passa-alto (0,1 Hz) e passa-basso (300 Hz). Le informazioni dettagliate del circuito elettrico sono descritte in Terutsuki et al.26
- Eseguire l'acquisizione e l'analisi dei dati su un personal computer (PC) dopo che il dispositivo EAG ha inviato i dati di misurazione.
- Per generare aria purificata, passare il flusso d'aria generato da una pompa d'aria compatta con una ventola di raffreddamento attraverso cotone, granuli di carbone attivo e acqua distillata. Quindi, passare l'aria purificata attraverso un tubo di vetro per la stimolazione.
NOTA: una fotografia del sistema di stimolazione degli odori è mostrata nella Figura 1C. Il percorso del flusso d'aria è indicato da frecce nere. Il percorso del flusso d'aria della porta di scarico dell'elettrovalvola è indicato dalla freccia nera tratteggiata. - Impostare la portata su 5 L min-1 utilizzando un misuratore di portata per la stimolazione degli odori nella configurazione sperimentale fissa. Impostare una portata più elevata per la generazione, assumendo stimolazioni degli odori di diversi metri per gli esperimenti con i droni.
NOTA: Che la portata (5 L min-1) non ha influenzato il rilevamento del segnale del dispositivo EAG era stato precedentemente confermato26. La velocità massima del flusso d'aria nella posizione del dispositivo EAG durante la stimolazione è stata misurata come 3,9 m s-1 utilizzando un anemometro. - Utilizzare un'elettrovalvola con un microcontrollore per stimolare il dispositivo EAG e condurre automaticamente le stimolazioni.
- Impostare il tempo di stimolazione a 0,5 s utilizzando l'elettrovalvola.
- Utilizzare gel elettricamente conduttivo per collegare un'antenna silkmoth all'elettrodo.
NOTA: questa procedura non richiede l'inserimento di fili in scala micrometrica a entrambe le estremità di un'antenna silkmoth per collegarla al dispositivo EAG.- Isolare le antenne silkmoth usando forbici post mortem (Figura 2A,B) senza anestesia. Vedere la Figura 2C per una vista ingrandita dell'antenna.
- Tagliare entrambi i lati dell'antenna isolata silkmoth e collegarla agli elettrodi rivestiti ag/AgCl della parte sensibile del dispositivo EAG (Figura 3A) utilizzando gel elettricamente conduttivo.
- Collegare il tubo di vetro contenente bombykol al sistema di stimolazione degli odori (assicurarsi che la pompa sia già accesa).
- Fissare il tubo di vetro in modo che la sua punta si trova a 10 mm dall'antenna silkmoth sul dispositivo EAG (Figura 3B).
- Impostare la porta di scarico (diametro di 60 mm) a 30 mm dietro il dispositivo EAG per stabilizzare il flusso d'aria e prevenire il ristagno dei feromoni (Figura 3B).
- Accendere il dispositivo EAG. Collegare il PC al punto di accesso Wi-Fi.
- Eseguire il programma di acquisizione dati sul PC. Vedere la Figura 3C per l'interfaccia utente grafica (GUI) sul PC per gli esperimenti.
- Dopo aver premuto il pulsante Ground nel menu Log per decidere lo stato sperimentale, premere il pulsante Log start per l'acquisizione dei dati. Cinque secondi dopo aver premuto il pulsante di avvio Log, avviare le stimolazioni degli odori.
- Premere il pulsante Log stop sulla GUI per interrompere la registrazione.
4. Drone
NOTA: In questo studio è stata utilizzata una piattaforma di volo commerciale per droni (98 mm x 93 mm x 41 mm; peso 87 g; tempo di volo massimo 13 min). Il carico utile del drone era di circa 30 g in base agli esperimenti. Il drone era dotato di un sistema di posizionamento visivo (VPS) costituito da una telecamera e un sensore a infrarossi sotto il suo corpo, che consentiva un librarsi stabile senza un sistema di posizionamento esterno.
- Rimuovi il coperchio superiore del drone e aggiungi una scheda di plastica rinforzata con fibra di carbonio (CFRP) personalizzata utilizzando un supporto tridimensionale (3D) stampato per collegare il dispositivo EAG. Vedere la Figura 4A per un'immagine del drone bio-ibrido.
NOTA: Lo sviluppatore di droni offre un kit di sviluppo software (SDK) e programmi Python di esempio (vedi la Tabella dei materiali); pertanto, il programma di controllo dei droni per gli esperimenti di volo si basava su questi. - Invia comandi di volo attraverso il PC per controllare il drone.
NOTA: per sicurezza, sono necessari guanti resistenti al taglio per fermare (catturare) il drone in caso di aborto di emergenza. La GUI è dotata di un pulsante di arresto di emergenza per interrompere immediatamente la rotazione delle eliche del drone(Figura 3C).
5. Preparazione dell'area sperimentale di volo
- Preparare un'area di volo sperimentale (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) e dotarla di una telecamera di sorveglianza commerciale sul soffitto.
- Impostare la portata del sistema di stimolazione degli odori su 5 L min-1 e il tempo di stimolazione a 0,5 s utilizzando l'elettrovalvola.
6. Esperimenti EAG sul drone
- Isolare le antenne silkmoth usando le forbici post-mortem e tagliare entrambi i lati dell'antenna.
- Collegare le antenne isolate agli elettrodi rivestiti in Ag/AgCl della parte sensibile del dispositivo EAG utilizzando gel elettricamente conduttivo.
- Collegare il tubo di vetro contenente bombykol (50.000 ng in 250 μL di esano/carta da filtro) al sistema di stimolazione degli odori (con la pompa già accesa).
- Impostare il tubo di vetro in modo che il tubo e la sua punta siano paralleli e direttamente sopra il bordo della scrivania, rispettivamente.
- Impostare il circolatore in modo che la parte più sporgente (il centro della ventola) si trova a 15 cm dal bordo della scrivania.
- Impostare la velocità del vento del circolatore su 1 (potenza minima) premendo il pulsante sulla console.
- Montare il dispositivo EAG sul drone. Collegare il PC al punto di accesso Wi-Fi. Accendi il dispositivo EAG e il drone.
NOTA: l'interruttore del dispositivo EAG si trova nella parte di elaborazione. - Esegui il programma di controllo dei droni sul PC.
- Dopo che la spia sul drone lampeggia in giallo, premere l'apposito pulsante nel menu Comando sulla GUI(Figura 3C)del PC per eseguire il comando.
NOTA: dopo che il drone è stato collegato al PC, la luce sul drone diventerà verde. - Premi il pulsante Di decollo sulla GUI per passare il drone sopra terra.
- Dopo aver premuto il pulsante Flight nel menu Log per decidere lo stato sperimentale, premere il pulsante Log start per l'acquisizione dei dati.
NOTA: la stimolazione degli odori verrà avviata 5 s dopo aver premuto il pulsante di avvio Log. - Premere il pulsante Log stop sulla GUI per interrompere la registrazione.
- Invia il comando Stop a intervalli di 5 s dopo il decollo del drone per mantenere lo stato di librarsi, poiché il drone atterra automaticamente se non viene utilizzato per circa 15 s.
- Dopo che la spia sul drone lampeggia in giallo, premere l'apposito pulsante nel menu Comando sulla GUI(Figura 3C)del PC per eseguire il comando.
7. Custodia del sensore
- Sviluppare un involucro per sensori (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) basato su un tubo in fibra di carbonio per migliorare la direttività del sensore. Vedere la Figura 4B,C per un'immagine del drone bio-ibrido con il suo involucro del sensore e la sua configurazione.
- Coprire la parte sensibile con un tubo isolante termorestringente e fissarla alla parete interna dell'involucro utilizzando nastro biadesivo.
- Inserire la parte di rilevamento del dispositivo EAG nell'involucro del sensore.
- Impostare la distanza tra la punta degli elettrodi e la punta dell'involucro come 10 mm.
8. Dimostrazione di tracciamento degli odori utilizzando il drone bio-ibrido
- Isolare le antenne silkmoth usando le forbici post-mortem e tagliare entrambi i lati dell'antenna.
- Collegare l'antenna isolata agli elettrodi rivestiti ag/AgCl della parte sensibile del dispositivo EAG utilizzando gel elettricamente conduttivo.
- Montare il dispositivo EAG con l'involucro del sensore sul drone.
- Passa il mouse sul drone in modo che inizi un movimento di rotazione di circa 90 ° a sinistra ea destra.
- Stimolare il dispositivo EAG sul drone utilizzando poli-contagocce contenenti bombykol durante questi movimenti.
- Condurre quattro cicli del passaggio 8.5.
NOTA: dopo il passaggio 8.6, il drone ruoterà in senso orario. Quando si esegue la stimolazione durante questo movimento, il drone eseguirà una rotazione in senso antiorario e atterrerà.
9. Localizzazione della fonte di odore utilizzando il drone bio-ibrido
- Collegare il tubo di vetro contenente bombykol (50.000 ng in 250 μL di esano/carta da filtro) alla pompa già accesa.
- Fissare il tubo di vetro in modo che la sua punta sia a 150 mm dal circolatore.
- Definire la direzione verso la fonte di odore come 0° e impostare il drone con un angolo di 270° in senso orario rispetto alla fonte dell'odore nel punto di partenza.
- Collegare il PC al punto di accesso Wi-Fi e accendere il dispositivo EAG e il drone.
- Esegui il programma di controllo dei droni sul PC.
- Dopo che la spia sul drone lampeggia in giallo, premere l'apposito pulsante nel menu Comando sulla GUI del PC(Figura 3C)per eseguire il comando.
NOTA: dopo che il drone è stato collegato al PC, la luce sul drone diventerà verde. - Premi il pulsante Di decollo sulla GUI per passare il drone sopra terra.
- Dopo aver premuto il pulsante Cerca nel menu Log per decidere lo stato sperimentale, premere il pulsante Log start per l'acquisizione dei dati. Quindi, premere il pulsante di avvio ricerca nel menu Comando per avviare la localizzazione della sorgente di odore utilizzando l'algoritmo di sovratensione a spirale e le stimolazioni cicliche degli odori (odore: 0,5 s; intervallo: 2,0 s) della fonte di odore.
- Dopo aver atterrato il drone, premere il pulsante Log stop sulla GUI per interrompere la registrazione.
- Dopo che la spia sul drone lampeggia in giallo, premere l'apposito pulsante nel menu Comando sulla GUI del PC(Figura 3C)per eseguire il comando.
Representative Results
Questo documento descrive i protocolli per le misurazioni del segnale utilizzando il dispositivo EAG proposto montato su una scrivania e un drone. In primo luogo, abbiamo valutato le prestazioni del dispositivo EAG su una scrivania. Un'antenna silkmoth sul dispositivo EAG è stata stimolata da bombykol. Venticinque stimolazioni continue sono state condotte utilizzando 100 ng di bombykol disciolto in 50 μL di esano con intervalli di 5 s, come controllato da un microcontrollore. I risultati hanno indicato che il dispositivo EAG proposto ha risposto in modo riproducibile alle stimolazioni (Figura 5).
Le prestazioni di rilevamento degli odori del dispositivo EAG sono state successivamente valutate sul drone. Il drone equipaggiato con il dispositivo EAG si librava all'altezza di 95 cm dal pavimento e ad una distanza di 90 cm dalla fonte di odore (Figura 6A). Seguendo la procedura descritta nella sezione 6, i segnali del dispositivo EAG sul drone sono stati misurati rispetto al bombykol (50.000 ng in 250 μL di esano/carta da filtro). Le prestazioni del sensore di un sensore di gas commerciale su un drone sono state valutate per il confronto. Un sensore di gas digitale multi-pixel28 è stato utilizzato per rilevare i vapori di etanolo. Questo sensore può essere utilizzato per il rilevamento di composti organici volatili totali (TVOC).
Secondo la scheda tecnica, la gamma di segnale TVOC del sensore era 0-60.000 ppb. Il drone con la scheda breakout del sensore di gas si librava nelle stesse condizioni del dispositivo EAG. Inoltre, 500 μL di etanolo (purezza al 99,5%) sono stati utilizzati come fonte di odore al posto del bombykol. I segnali tipici del dispositivo EAG e del sensore di gas sul drone sono mostrati nella Figura 6B. Poiché le molecole odoranti e i dispositivi sensori differivano in questo confronto, non è stato possibile eseguire confronti quantitativi. Tuttavia, i risultati sperimentali suggeriscono che potrebbe essere difficile per un drone con un sensore di gas commerciale rilevare molecole odoranti con una rapida velocità di risposta / recupero. In particolare, il tempo di recupero del sensore di gas in questo studio è stato significativamente superiore a quello del dispositivo EAG con antenne silkmoth.
Abbiamo anche valutato la direttività del sensore del dispositivo EAG sul drone. In questo studio, la direzione verso la fonte di odore è stata definita come 0 ° e il drone è stato ruotato in senso orario di intervalli di 60 ° per valutare le intensità del segnale ad ogni angolo. Per il drone senza un involucro del sensore, l'intensità del segnale a 180 °, mentre il drone era rivolto nella direzione opposta rispetto alla fonte di odore, era occasionalmente superiore a quella a 0 ° (Figura 6C). Tuttavia, per il drone equipaggiato con l'involucro, l'intensità del segnale dell'EAG a 0° è diventata superiore a quella a 180° (Figura 6D). Di conseguenza, l'involucro del sensore ha migliorato la direttività del sensore del dispositivo EAG sul drone.
Una dimostrazione di tracciamento degli odori è stata condotta utilizzando il drone bio-ibrido con l'involucro del sensore. I risultati hanno indicato che il drone ha rilevato bombykol nell'aria all'esterno di una galleria del vento e ha identificato la direzione del pennacchio di odore ruotando i movimenti (Figura 7, Video supplementare S1). Infine, la localizzazione della sorgente di odore è stata condotta sulla base dell'algoritmo spiral-surge utilizzando il drone bio-ibrido (Figura 8A). Il drone è stato impostato a 270 ° dalla fonte di odore nel punto di partenza. Dopo aver librato, il drone ha iniziato a cercare il valore massimo dell'intensità del segnale durante i movimenti a spirale in senso orario o antiorario. Quindi, il drone si è spostato in avanti nella direzione del valore massimo dell'intensità del segnale. Dopo aver ripetuto sei volte la spirale di ricerca degli odori e i movimenti di picco, il drone è atterrato a terra. Il diagramma di flusso dell'algoritmo spiral-surge è descritto in Terutsuki et al.26
La traiettoria, gli angoli di imbardata e i segnali EAG durante la localizzazione della sorgente di odore sono presentati nella Figura 8B-D. La figura 8D mostra che il tempo di rilevamento, compresi i tempi di risposta e recupero del dispositivo EAG sul drone, è stato di circa 1 s. Il drone ha modificato autonomamente il suo movimento cercando la massima concentrazione di odore durante i movimenti a spirale. I lettori possono visualizzare i video della localizzazione della fonte di odore da parte del drone bio-ibrido descritto da Terutsuki et al.26.
Figura 1: La seta, il dispositivo EAG e il sistema di stimolazione degli odori. (A) Immagine di un maschio di seta. (B) Immagine del dispositivo EAG montabile per un piccolo drone. (C) Immagine del sistema di stimolazione degli odori con le direzioni del flusso d'aria. Abbreviazione: EAG = elettroantenografia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Isolamento dell'antenna silkmoth. (A) Isolamento di un'antenna silkmoth con forbici post mortem. (B) Tipica antenna isolata silkmoth. (C) Vista ingrandita di un'antenna isolata a forma di seta; barra della scala = 0,5 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Configurazione del dispositivo EAG e GUI. (A) Installazione di un'antenna isolata silkmoth sugli elettrodi del dispositivo EAG mediante gel. (B) Configurazione per la stimolazione degli odori utilizzando il dispositivo EAG sulla scrivania. (C) La GUI per gli esperimenti. Abbreviazioni: EAG = elettroantenografia; GUI = interfaccia utente grafica. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Drone bio-ibrido. (A) Drone bio-ibrido basato su un'antenna silkmoth. (B) Drone bio-ibrido con l'involucro del sensore. (C) Configurazione del drone bio-ibrido. Barre di scala (A, B) = 50 mm. Abbreviazione: CFRP = plastica rinforzata con fibra di carbonio. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Tipico profilo di risposta continua del dispositivo EAG sulla scrivania stimolato da bombykol. Abbreviazione: EAG = elettroantenografia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6: Ambiente sperimentale del drone bio-ibrido e intensità del segnale del dispositivo EAG. (A) Immagine dell'ambiente sperimentale con il drone bio-ibrido, che si librava autonomamente a 95 cm dal suolo ad una distanza di 90 cm dalla fonte di odore. (B) Confronto tra i segnali tipici del dispositivo EAG e il sensore di gas commerciale sul drone. (C) Intensità del segnale tipica del dispositivo EAG senza equipaggiare l'involucro del sensore sul drone ad ogni angolo (N = 1). (D) Intensità media del segnale del dispositivo EAG con l'involucro sul drone ad ogni angolo (N = 3; test individuali). L'unità delle intensità del segnale è V. C e D sono state modificate da Terutsuki et al.26. Abbreviazioni: EAG = elettroantenografia; TVOC = composti organici volatili totali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7: Stimolazione manuale degli odori per dimostrare il rilevamento e il tracciamento dell'odore in una stanza da parte del drone bio-ibrido. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8: Localizzazione della fonte di odore da parte del drone bio-ibrido. (A) Punto di vista dalla telecamera a soffitto dell'area di volo del drone bio-ibrido. (B) Traiettoria di volo tipica, (C) angoli di imbardata e (D) intensità del segnale EAG durante la localizzazione della sorgente di odore utilizzando l'algoritmo di spirale-surge. Queste cifre sono risultati rappresentativi (N = 1). A-D sono stati modificati da Terutsuki et al.26. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video supplementare S1: Dimostrazione della stimolazione manuale degli odori utilizzando il drone bio-ibrido. Fare clic qui per scaricare questo video.
Discussion
I robot mobili con dispositivi EAG sono stati sviluppati per la prima volta 25 anni fa20. Da allora, ci sono stati progressi significativi nelle tecnologie robotiche, compresi i droni. Considerando questi progressi tecnologici, abbiamo sviluppato un drone bio-ibrido autonomo con un dispositivo EAG basato su un'antenna silkmoth per il rilevamento e la localizzazione degli odori in aria26. Questo studio dimostra il funzionamento del drone bio-ibrido sviluppato e il tracciamento della stimolazione manuale degli odori in una stanza utilizzando il drone.
In questo studio, poiché le antenne silkmoth erano collegate agli elettrodi usando gel elettricamente conduttivo, abbiamo verificato che entrambe le estremità di ciascuna antenna sono state in contatto con gli elettrodi in modo sicuro prima di iniziare gli esperimenti EAG sulla scrivania o sul drone. Se i segnali del dispositivo EAG venivano improvvisamente persi durante l'esperimento, un ricercatore controllava prima la connessione dell'antenna con gli elettrodi. È possibile che questo problema si sia verificato con una probabilità maggiore negli esperimenti EAG sul drone. Mentre la durata della vita delle antenne isolate silkmoth è più di un'ora, perché il gel si è asciugato in una dozzina o dozzine di minuti in questo studio, l'aggiunta di gel ai punti di collegamento delle antenne e degli elettrodi può aiutare a recuperare le intensità del segnale.
Il drone in questo studio è stato equipaggiato con il VPS composto da una fotocamera e un sensore a infrarossi per la stabilizzazione del volo. Abbiamo scoperto che il drone è andato alla deriva durante il librarsi su un pavimento liscio, il che potrebbe aver causato l'instabilità di un sensore a infrarossi sotto il corpo del drone. Lo stesso problema a volte è sorto quando gli esperimenti sono stati condotti utilizzando questo drone in una stanza con un pavimento liscio come piastrelle. Pertanto, abbiamo coperto il pavimento con tappeti rialzati (abbiamo usato tappeti quadricolori di 45 cm × area di 45 cm) e ridotto la deriva del drone. Questo processo è risultato utile per la stabilizzazione del volo degli esperimenti EAG sul drone.
Il significato del drone bio-ibrido in questo studio risiede nella sua capacità di riconoscere la concentrazione degli odori e la sua direttività del sensore verso le fonti di odore. Il drone ha identificato in tempo reale le differenze di concentrazione di odoranti all'esterno di una galleria del vento e ha localizzato la sorgente utilizzando l'algoritmo di sovratensione a spirale (Figura 8). L'algoritmo spiral-surge29,30 non richiede informazioni sulla posizione del pennacchio durante la riacquisizione del pennacchio e mostra la sua affidabilità relativamente elevata, rispetto a quella dell'algoritmo di fusione, in un flusso laminare a bassa velocità30. Questo algoritmo è stato precedentemente installato su un robot mobile a terra30; tuttavia, era necessario un sensore di direzione del vento per riconoscere la direzione di bolina. Le informazioni sugli odori sono state binarie e la concentrazione è stata ignorata.
Per il drone basato su antenna di insetti, il montaggio di sensori aggiuntivi, come i sensori del vento, è un compromesso tra carico utile e consumo della batteria. Inoltre, le informazioni sugli odori rilevate dall'EAG sul drone sono state comunque valutate per determinare se ha superato una soglia25. Il design del drone bio-ibrido utilizzato in questo studio ha migliorato la direttività del dispositivo EAG stesso e non ha richiesto un sensore di direzione del vento. La direttività del sensore ha permesso al drone di utilizzare le informazioni sulla concentrazione degli odori durante i movimenti a spirale in un ambiente più complesso di una galleria del vento. In questo studio è stato utilizzato un involucro cilindrico; tuttavia, in futuro dovrebbe essere sviluppato un involucro più elaborato e leggero.
Tuttavia, il drone bio-ibrido esaminato in questo studio ha alcune limitazioni. Ad esempio, la distanza di localizzazione della fonte di odore era ancora limitata. A causa della loro elevata mobilità, i droni dovrebbero essere in grado di cercare odori su lunghe distanze nell'ordine di diverse decine di metri. Tuttavia, la distanza raggiunta dal drone bio-ibrido basato su antenna di insetti è stata limitata a 2 m26e i test di localizzazione della fonte di odore sono stati condotti in una galleria del vento con spazio limitato25. L'estensione della distanza di ricerca è essenziale per lo sviluppo di una pratica piattaforma di volo per il rilevamento degli odori.
Per le ricerche a lunga distanza (oltre 10 m), sono necessari un'elevata direttività del sensore e un efficiente algoritmo di localizzazione della fonte di odore, dato che sono previste la diluizione della concentrazione di odore e la distribuzione complessa del pennacchio di odore. Il rilevamento stereo utilizzando due antenne dello stesso insetto può aumentare la direzionalità23. La maggior parte degli esperimenti di localizzazione delle fonti di odore utilizzando piccoli droni con sensori di gas commerciali sono stati condotti utilizzando un singolo sensore e non è stato condotto un array di dispositivi EAG sui droni. Pertanto, è necessario sviluppare un array di dispositivi EAG per piccoli droni per aumentare il loro potenziale di applicazione di rilevamento degli odori. L'array di dispositivi EAG faciliterebbe anche lo sviluppo di un efficiente algoritmo di localizzazione della fonte di odore in quanto consente una localizzazione più precisa di un pennacchio di odore.
I droni bio-ibridi per il rilevamento degli odori basati su antenne per insetti contribuiscono sia alla ricerca fondamentale che a quella applicata. Dal punto di vista della ricerca fondamentale, tali droni possono essere utilizzati come piattaforme di test per sviluppare algoritmi di localizzazione delle fonti di odore. Vari algoritmi sono stati precedentemente proposti31; tuttavia, le piattaforme di test che utilizzano un robot mobile che ha condotto ricerche bidimensionali degli odori o sensori di gas commerciali hanno mostrato prestazioni limitate. In queste configurazioni, è difficile per gli algoritmi proposti dimostrare le loro prestazioni. Il drone bio-ibrido in questo studio ha dimostrato la capacità di riconoscimento della concentrazione degli odori, nonché la direttività, la sensibilità e la selettività del sensore. Pertanto, mostra grandi promesse per l'installazione in algoritmi di localizzazione di fonti di odori più avanzati o tridimensionali.
In termini di applicazioni, i droni bio-ibridi possono essere impiegati in missioni che gli animali viventi potrebbero avere difficoltà ad avvicinarsi, come il rilevamento di perdite chimiche / biologiche tossiche, materiali esplosivi e operazioni di ricerca e soccorso. Per applicare tali droni a queste missioni, le antenne degli insetti devono rilevare le molecole odoranti incluse nelle fonti di odore target. Le antenne Silkmoth possono essere geneticamente modificate32 per avere il potenziale per rilevare molecole odoranti diverse dal feromone sessuale silkmoth femminile; quindi, queste applicazioni stanno ora diventando realtà.
Disclosures
Gli autori non hanno conflitti di interesse da divulgare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto in parte da una borsa di ricerca della Murata Science Foundation. Gli autori desiderano ringraziare Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Giappone, per l'assistenza nello sviluppo delle piattaforme e della programmazione dei droni e Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Giappone, per l'assistenza nella progettazione dei circuiti elettronici. Gli autori desiderano anche ringraziare il Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, Università di Tsukuba) per aver fornito bombykol purificato; Takuya Nakajo (RCAST, Università di Tokyo) per il supporto all'allevamento di silkmoth; e Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) per aver supportato l'acquisizione di immagini silkmoth.
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 |
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