Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Elektroantennografibasert biohybrid luktdetekterende drone ved hjelp av silkmothantenner for lokalisering av luktkilde

Published: August 27, 2021 doi: 10.3791/62895
Automatic Translation
1, 2, 3, 1, 4, 1
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

Summary

Denne studien introduserer eksperimentelle protokoller for en bio-hybrid luktdetekterende drone basert på silkemothantenner. Driften av en eksperimentell elektroantennogramenhet med silkemothantenner presenteres, i tillegg til strukturen til en bio-hybrid drone designet for luktkildelokalisering ved hjelp av spiralbølgealgoritmen.

Abstract

Små droner med kjemiske eller biosensoriske enheter som kan oppdage luftbårne luktstoffmolekyler har tiltrukket seg betydelig oppmerksomhet på grunn av deres anvendbarhet i miljø- og sikkerhetsovervåking og søk-og-redningsoperasjoner. Små droner med kommersielle gasssensorer av metalloksid-halvleder (MOX) er utviklet for lokalisering av luktkilder; Imidlertid har deres sanntids luktdeteksjonsytelse vist seg utilstrekkelig. Biosensing teknologier basert på insekt olfaktoriske systemer viser imidlertid relativt høy følsomhet, selektivitet og sanntidsrespons med hensyn til luktstoffmolekyler sammenlignet med kommersielle MOX-gasssensorer. I slike enheter fungerer utskilte insektantenner som bærbare luktstoffbiosensorelementer og har vist seg å levere utmerket sensingytelse. Denne studien presenterer eksperimentelle protokoller for påvisning av luktmolekyler i luften ved hjelp av en liten autonom biohybriddrone basert på en monterbar elektroantennografi (EAG) enhet som inneholder silkemothantenner.

Vi utviklet en monterbar EAG-enhet, inkludert sensor-/prosesseringsdeler med en Wi-Fi-modul. Enheten var utstyrt med et enkelt sensorkabinett for å forbedre sensorens direktivitet. Dermed ble luktkildelokalisering utført ved hjelp av spiralbølgealgoritmen, som ikke antar en motvindsretning. Den eksperimentelle bio-hybrid luktdetekterende dronen identifiserte forskjeller i luktkonsentrasjon i sanntid i et pseudo-åpent miljø (utenfor en vindtunnel) og lokaliserte kilden. Den utviklede dronen og tilhørende systemet kan fungere som et effektivt luktstoffmolekyldeteksjonsverktøy og en egnet flyplattform for å utvikle lokaliseringsalgoritmer for luktkilder på grunn av den høye programmerbarheten.

Introduction

Med nylige fremskritt har små droner med kjemiske sensorenheter blitt svært anvendelige i miljø- og sikkerhetsovervåking og gasslekkasjedeteksjon1. Små droner (med en diameter på ca. < 20 cm) med kommersielle gasssensorer av metalloksid-halvleder (MOX) har nylig blitt brukt til å utføre luktkartlegging eller lokalisering av luktkilder2,3,4. Når du søker etter luktkilder, må en drone spore luktplommer; Lokalisering av luktkilder ved hjelp av små droner byr imidlertid på betydelige utfordringer. I et åpent miljø blir lukt-plume strukturer utsatt for kontinuerlige endringer på grunn av miljøfaktorer som vind eller landskap. Derfor bør droner være i stand til å identifisere luktkonsentrasjonsforskjeller og retninger som varierer over tid; Imidlertid er luktdeteksjonsytelsen til kommersielle MOX-sensorer fortsatt utilstrekkelig for sanntidsregistrering på grunn av deres langsomme gjenopprettingstid5.

Bio-hybrid systemer dannet av sammenslåing av biologiske og kunstige systemer er en nylig trend i robotikk og sensorteknologier6, som viser stort potensial for å overgå mulighetene til eksisterende tilnærminger. For eksempel er et biorobotisk sensornettverk utviklet basert på for bruk i katastrofesituasjoner7. Eksperimenter har blitt utført der cyborgrotter med beregningsmessig forbedret intelligens fikk i oppgave å løse labyrinter8. Muligheten for sosial integrasjon av biomimetiske roboter i grupper av ekte sebrafisk har blitt undersøkt9.

Naturligvis har denne trenden blitt brukt til å utvikle luktsensorer10. For eksempel har biosensorer basert på insekt olfaktoriske systemer relativt høy følsomhet og selektivitet med hensyn til ulike luktstoffmolekyler sammenlignet med eksisterende MOX-sensorer11. Langs disse linjene hadde vi tidligere utviklet biohybrid luktende biosensorsystemer basert på en kombinasjon av insektceller som uttrykker insektluktstoffreseptorer og et mikroskop eller elektroniske enheter12,13,14,15,16. Videre kan insektantenner brukes uavhengig som bærbare luktfølsomme sensordeler med høy følsomhet, selektivitet, reproduserbarhet og rask respons / gjenopprettingstid, ved hjelp av elektroantennografi (EAG) -teknikken17,18,19. Flere bakkemobile luktsensorroboter med EAG-teknikker basert på insektantenner20,21,22,23 eller små droner med EAG-enheter24,25 er utviklet for luktdeteksjon og luktkildelokalisering. Disse robotene viste sensorfølsomhet og sensibilitet i sanntid. Imidlertid er mobiliteten til bakkemobile roboter betydelig påvirket av landfunksjoner eller hindringer. I tillegg forblir flyytelsen og luktkildelokaliseringsalgoritmene til eksisterende EAG-baserte biohybriddroner begrenset fordi eksperimentelle forhold har vært begrenset til tethered flight24 eller til å bli utført i en liten vindtunnel25.

Denne studien presenterer eksperimentelle protokoller for luktdeteksjon i luft- og luktkildelokalisering ved hjelp av en nylig utviklet bio-hybrid drone basert på silkemoth (Bombyx mori) antenner26. Vi utviklet en monterbar og lett EAG-enhet med en trådløs kommunikasjonsfunksjon for å oppdage luktresponsene til silkemothantenner. EAG-enheten ble montert på en liten drone, installert i et enkelt sensorkabinett for å forbedre sensorens direkteitet for luktstoffmolekyler og redusere støy. Den bio-hybrid dronen oppdaget reprodusert luftbårne luktstoffmolekyler og identifiserte maksimal luktkonsentrasjon under spiralbevegelser. Videre lokaliserte dronen luktkilden ved hjelp av spiralbølgealgoritmen uten vindretningsinformasjon.

Protocol

1. Insekter

MERK: Egg av silkemoths (Bombyx mori) ble kjøpt fra et innenlandsk selskap. Silkemothene ble brukt innen 10 dager etter at de kom ut av kokonger. Forbered tre voksne silkerør for forsøkene (seks antenner); Dette tallet kan imidlertid endres avhengig av de eksperimentelle kravene.

  1. Inkuber silkemoth egg ved 15 °C i 24 timer og flytt dem til en inkubator ved 25 °C.
    MERK: Silkeormene klekkes ca. 10-13 dager senere.
  2. Legg silkeormene på skiver kunstige dietter i en plastfat.
  3. Etter 20-25 dager med silkeormheving, observere dannelsen og puperingen av silkeormene i kokonger.
    MERK: Dyrkingsprosedyren omfatter fôring, fjerning og desinfisering i et miljø ved 25 °C. Silkemothene kommer ut av kokongene etter 10-15 dager.

2. Luktstoffer og luktkildepreparat

MERK: Hovedkomponenten i den kvinnelige silkemoth sexferomonen, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), ble brukt som luktkilde for å utføre stimulering. En mannlig silkemoth (Figur 1A) kan identifisere og diskriminere bombykol27, og isolerte silkemothantenner har blitt brukt til å fungere som biosensor på mobile roboter20,21,22. Oppbevar renset bombykol oppløst i heksan (10 mg/ml) i en høyforseglet oppbevaringsflaske i kjøleskap ved −30 °C.

  1. Sett en sprøyte inn i den høyforseglede oppbevaringsflasken og trekk ut og injiser 2 ml 2000 ng/μL bombykol i et 10 ml hetteglass. Tilsett deretter 8 ml heksan til samme hetteglass.
  2. Fortynn 400 ng/μL bombykol til 2 ng/μL bombykol med heksan i et 1 ml hetteglass.
  3. Skjær filterpapiret i 10 mm × 10 mm stykker, rull dem inn i sylindrisk form og legg dem i et glassrør (innvendig diameter [ID]: 5 mm; ytre diameter [OD]: 7 mm; lengde [L]: 100 mm).
  4. Slipp en fortynnet prøve (100 ng bombykol oppløst i 50 μL heksan) på en del av filterpapiret i glassrøret.
  5. Lukk begge ender av glassrøret med filterpapiret ved hjelp av poly-droppere kuttet i midten.

3. EAG eksperimenterer på en fast bordoverflate

MERK: Den monterbare EAG-enheten, som fungerer som en bærbar biosensor på en liten drone, vises i figur 1B. Enheten inkluderte høypassfiltre (0,1 Hz) og lavpassfiltre (300 Hz). Detaljert informasjon om den elektriske kretsen er beskrevet i Terutsuki et al.26

  1. Utfør datainnsamling og analyse på en PC etter at EAG-enheten har sendt måledataene.
  2. For å generere renset luft, send luftstrømmen generert av en kompakt luftpumpe med en kjølevifte gjennom bomull, aktiverte karbongranulat og destillert vann. Deretter passerer du renset luft gjennom et glassrør for stimulering.
    MERK: Et bilde av luktstimuleringssystemet er vist i figur 1C. Luftstrømsbanen er indikert med svarte piler. Luftstrømsbanen til eksosporten til magnetventilen indikeres av den stiplede svarte pilen.
  3. Still inn strømningshastigheten som 5 L min-1 ved hjelp av et strømningsmåler for luktstimulering i det faste eksperimentelle oppsettet. Angi en høyere strømningshastighet for generering, forutsatt luktstimuleringer på flere meter for droneforsøkene.
    MERK: At strømningshastigheten (5 l min-1) ikke påvirket signaldeteksjonen til EAG-enheten tidligere var bekreftet26. Maksimal luftstrømshastighet ved EAG-enhetens posisjon under stimulering ble målt til 3,9 m s-1 ved hjelp av et vindmåler.
  4. Bruk en magnetventil med en mikrokontroller for å stimulere EAG-enheten og utføre stimuleringene automatisk.
  5. Sett stimuleringstiden til 0,5 s ved hjelp av magnetventilen.
  6. Bruk elektrisk ledende gel for å feste en silkemothantenne til elektroden.
    MERK: Denne prosedyren krever ikke innsetting av mikrometer-skala ledninger til begge ender av en silkemoth antenne for å feste den til EAG-enheten.
    1. Isoler silkemothantenner ved hjelp av postmortem saks (Figur 2A,B) uten anestesi. Se figur 2C for en forstørret visning av antennen.
    2. Klipp begge sider av den isolerte silkemothantennen og fest den til Ag/AgCl-belagte elektroder på sensordelen av EAG-enheten (figur 3A) ved hjelp av elektrisk ledende gel.
  7. Koble glassrøret som inneholder bombykol til luktstimuleringssystemet (sørg for at pumpen allerede er slått på).
  8. Fest glassrøret slik at spissen er 10 mm fra silkerørantennen på EAG-enheten (figur 3B).
  9. Sett eksosporten (diameter på 60 mm) på 30 mm bak EAG-enheten for å stabilisere luftstrømmen og forhindre feromonstagnasjon (figur 3B).
  10. Slå på EAG-enheten. Koble PC-en til Wi-Fi-tilgangspunktet.
  11. Kjør datainnsamlingsprogrammet på PCen. Se figur 3C for det grafiske brukergrensesnittet (GUI) på PCen for forsøkene.
  12. Når du har trykket på Ground-knappen i Logg-menyen for å bestemme eksperimentell tilstand, trykker du på Logg start-knappen for datainnsamling. Fem sekunder etter at du har trykket på loggstartknappen, starter du luktstimuleringer.
  13. Trykk på Logg stopp-knappen på GUI for å stoppe innspillingen.

4. Drone

MERK: En kommersiell droneflyplattform (98 mm x 93 mm x 41 mm; vekt 87 g; maksimal flytid 13 min) ble brukt i denne studien. Nyttelasten på dronen var omtrent 30 g basert på forsøkene. Dronen var utstyrt med et visjonsposisjoneringssystem (VPS) bestående av et kamera og en infrarød sensor under kroppen, noe som tillot stabil sveve uten et eksternt posisjoneringssystem.

  1. Fjern toppdekselet på dronen og legg til et tilpasset karbonfiberforsterket plastkort (CFRP) ved hjelp av en tredimensjonal (3D)-trykt brakett for å feste EAG-enheten. Se figur 4A for et bilde av biohybridddronen.
    MERK: Droneutvikleren tilbyr et programvareutviklingssett (SDK) og prøve Python-programmer (se materialtabellen); Derfor var dronekontrollprogrammet for flyforsøk basert på disse.
  2. Send flykommandoer gjennom PC-en for å kontrollere dronen.
    MERK: Av sikkerhetsmessige årsaker er det nødvendig med kuttsikre hansker for å stoppe (fange) dronen i en nødavbrudd. GUI er utstyrt med en nødstoppknapp for umiddelbart å stoppe rotasjonen av dronens propeller (Figur 3C).

5. Forberedelse av eksperimentelt område

  1. Forbered et eksperimentelt flyområde (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) og utstyr det med et kommersielt overvåkingskamera i taket.
  2. Still inn strømningshastigheten til luktstimuleringssystemet som 5 L min-1 og stimuleringstiden til 0,5 s ved hjelp av magnetventilen.

6. EAG eksperimenterer på dronen

  1. Isoler silkemothantenner ved hjelp av postmortem saks og kutt begge sider av antennen.
  2. Fest de isolerte antennene til Ag/AgCl-belagte elektroder på sensordelen av EAG-enheten ved hjelp av elektrisk ledende gel.
  3. Koble glassrøret som inneholder bombykol (50 000 ng i 250 μL heksan/filterpapir) til luktstimuleringssystemet (med pumpen allerede slått på).
  4. Still inn glassrøret slik at røret og spissen er parallelle med og rett over kanten av skrivebordet.
  5. Still inn sirkulasjonsmotoren slik at den mest fremspringende delen (midten av viften) er 15 cm fra kanten av skrivebordet.
  6. Sett vindhastigheten til sirkulasjonsrøret til 1 (minimumsstrøm) ved å trykke på knappen på konsollen.
  7. Monter EAG-enheten på dronen. Koble PC-en til Wi-Fi-tilgangspunktet. Slå på EAG-enheten og dronen.
    MERK: Bryteren til EAG-enheten er i behandlingsdelen.
  8. Kjør dronekontrollprogrammet på PC-en.
    1. Når lyset på dronen blinker gult, trykker du på den aktuelle knappen i Kommando -menyen på GUI (figur 3C) på PCen for å utføre kommandoen.
      MERK: Etter at dronen er koblet til PC-en, blir lyset på dronen grønt.
    2. Trykk på Take off-knappen på GUI for å holde dronen over bakken.
    3. Når du har trykket på Fly-knappen i Logg-menyen for å bestemme eksperimentell tilstand, trykker du på Logg start-knappen for datainnsamling.
      MERK: Luktstimulering startes 5 s etter at du har trykket på loggstartknappen.
    4. Trykk på Logg stopp-knappen på GUI for å stoppe innspillingen.
    5. Send Stopp-kommandoen i intervaller på 5 s etter dronens løfting for å opprettholde svevetilstanden, da dronen automatisk lander hvis den ikke betjenes i ca. 15 s.

7. Sensor kabinett

  1. Utvikle et sensorkabinett (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) basert på et karbonfiberrør for å forbedre sensorens direkteitet. Se figur 4B,C for et bilde av bio-hybrid dronen med sensorkabinettet og konfigurasjonen.
  2. Dekk sensordelen med et varmekrympende isolasjonsrør og fest det til den indre veggen av kabinettet ved hjelp av dobbeltsidig tape.
  3. Sett sensordelen av EAG-enheten inn i sensorkabinettet.
  4. Angi avstanden mellom elektrodens spiss og spissen av kabinettet som 10 mm.

8. Luktsporingsdemonstrasjon ved hjelp av bio-hybrid drone

  1. Isoler silkemothantenner ved hjelp av postmortem saks og kutt begge sider av antennen.
  2. Fest den isolerte antennen til Ag/AgCl-belagte elektroder på sensordelen av EAG-enheten ved hjelp av elektrisk ledende gel.
  3. Monter EAG-enheten med sensorkabinettet på dronen.
  4. Hold dronen slik at den begynner en dreiende bevegelse på ca. 90° til venstre og høyre.
  5. Stimulere EAG-enheten på dronen ved hjelp av poly-droppere som inneholder bombykol under disse bevegelsene.
  6. Utfør fire sykluser i trinn 8.5.
    MERK: Etter trinn 8.6 vil dronen rotere med klokken. Når du utfører stimuleringen under denne bevegelsen, vil dronen utføre en mot klokken rotasjon og land.

9. Lokalisering av luktkilde ved hjelp av biohybridddronen

  1. Koble glassrøret som inneholder bombykol (50 000 ng i 250 μL heksan/filterpapir) til pumpen som allerede er slått på.
  2. Fest glassrøret slik at spissen er 150 mm fra sirkulatoren.
  3. Definer retningen mot luktkilden som 0°, og sett dronen i en vinkel på med klokken 270° fra luktkilden ved startpunktet.
  4. Koble PC-en til Wi-Fi-tilgangspunktet, og slå på EAG-enheten og dronen.
  5. Kjør dronekontrollprogrammet på PC-en.
    1. Når lyset på dronen blinker gult, trykker du på den aktuelle knappen i Kommando -menyen på GUI på PCen (figur 3C) for å utføre kommandoen.
      MERK: Etter at dronen er koblet til PC-en, blir lyset på dronen grønt.
    2. Trykk på Take off-knappen på GUI for å holde dronen over bakken.
    3. Når du har trykket på Søk-knappen i Logg-menyen for å bestemme eksperimentell tilstand, trykker du på Logg start-knappen for datainnsamling. Trykk deretter på Start-knappen for søk i Kommando-menyen for å starte lokalisering av luktkilder ved hjelp av spiralbølgealgoritmen og sykliske luktstimuleringer (lukt: 0,5 s; intervall: 2,0 s) av luktkilden.
    4. Etter å ha landet dronen, trykker du på Logg stopp-knappen på GUI for å stoppe opptaket.

Representative Results

Dette dokumentet beskriver protokollene for signalmålinger ved hjelp av den foreslåtte EAG-enheten montert på et skrivebord og en drone. Først evaluerte vi ytelsen til EAG-enheten på et skrivebord. En silkemothantenne på EAG-enheten ble stimulert av bombykol. Tjuefem kontinuerlige stimuleringer ble utført ved hjelp av 100 ng bombykol oppløst i 50 μL heksan med intervaller på 5 s, som kontrollert av en mikrokontroller. Resultatene indikerte at den foreslåtte EAG-enheten reprodusert reagerte på stimuleringene (figur 5).

Luktdeteksjonsytelsen til EAG-enheten ble senere evaluert på dronen. Dronen utstyrt med EAG-enheten svevde i høyden på 95 cm fra gulvet og i en avstand på 90 cm fra luktkilden (Figur 6A). Ved å følge prosedyren som er beskrevet i avsnitt 6, ble signalene til EAG-enheten på dronen målt i forhold til bombykol (50 000 ng i 250 μL heksan/filterpapir). Sensorytelsen til en kommersiell gasssensor på en drone ble evaluert for sammenligning. En digital gasssensor med flere piksler28 ble brukt til å oppdage etanoldamp. Denne sensoren kan brukes til påvisning av totale flyktige organiske forbindelser (TVOC).

Ifølge databladet var TVOC-signalområdet til sensoren 0-60.000 ppb. Dronen med gasssensorens utbryterkort svevde under samme forhold som EAG-enheten. Videre ble 500 μL etanol (99,5% renhet) brukt som luktkilde i stedet for bombykol. De typiske signalene fra EAG-enheten og gasssensoren på dronen er vist i figur 6B. Ettersom luktstoffmolekylene og sensorenhetene var forskjellige i denne sammenligningen, kunne ikke kvantitative sammenligninger utføres. De eksperimentelle resultatene tyder imidlertid på at det kan være vanskelig for en drone med en kommersiell gasssensor å oppdage luktstoffmolekyler med rask respons / utvinningshastighet. Spesielt var utvinningstiden til gasssensoren i denne studien betydelig høyere enn for EAG-enheten med silkemothantenner.

Vi evaluerte også sensorregulativiteten til EAG-enheten på dronen. I denne studien ble retningen mot luktkilden definert som 0°, og dronen ble rotert med klokken med 60° intervaller for å evaluere signalintensiteter i hver vinkel. For dronen uten sensorkabinett var signalintensiteten ved 180°, mens dronen i motsatt retning fra luktkilden, tidvis høyere enn den ved 0° (Figur 6C). For dronen som var utstyrt med kabinettet, ble imidlertid signalintensiteten til EAG ved 0° høyere enn ved 180° (Figur 6D). Sensorkabinettet forbedret derfor sensorregulativiteten til EAG-enheten på dronen.

En luktsporingsdemonstrasjon ble gjennomført ved hjelp av biohybridddronen med sensorkabinettet. Resultatene indikerte at dronen oppdaget bombykol i luften utenfor en vindtunnel og identifiserte retningen på luktrøret ved å dreie bevegelser (Figur 7, Ekstra video S1). Til slutt ble lokalisering av luktkilder utført basert på spiralbølgealgoritmen ved hjelp av biohybridddronen (figur 8A). Dronen ble satt til 270° fra luktkilden ved utgangspunktet. Etter å ha svevet, begynte dronen å søke etter den maksimale verdien av signalintensiteten under spiralbevegelser med eller mot klokken. Deretter beveget dronen seg fremover i retning av den maksimale verdien av signalintensiteten. Etter å ha gjentatt luktsøkende spiral og bølgebevegelser seks ganger, landet dronen på bakken. Flytskjemaet til spiralbølgealgoritmen er beskrevet i Terutsuki et al.26

Banen, yaw-vinklene og EAG-signalene under lokaliseringen av luktkilden presenteres i figur 8B-D. Figur 8D viser at deteksjonstiden, inkludert respons- og gjenopprettingstider for EAG-enheten på dronen, var ca. 1 s. Dronen endret autonomt bevegelsen ved å søke etter maksimal luktkonsentrasjon under spiralbevegelsene. Leserne kan se videoer av lokaliseringen av luktkilden av biohybridddronen beskrevet av Terutsuki et al.26.

Figure 1
Figur 1: Silkerør, EAG-enhet og luktstimuleringssystem. (A) Bilde av en mannlig silkemoth. (B) Bilde av den monterbare EAG-enheten for en liten drone. (C) Bilde av luktstimuleringssystemet med luftstrømsretninger. Forkortelse: EAG = elektroantennografi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: Isolering av silkerørantenne. (A) Isolering av en silkemoth antenne ved hjelp av postmortem saks. (B) Typisk isolert silkemoth antenne. (C) Forstørret visning av en isolert silkerørantenne; skala bar = 0,5 mm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3:Oppsett av EAG-enhet og GUI. (A) Installasjon av en isolert silkemothantenne på elektrodene til EAG-enheten ved hjelp av gel. (B) Oppsett for luktstimulering ved hjelp av EAG-enheten på skrivebordet. (C) GUI for forsøkene. Forkortelser: EAG = elektroantennografi; GUI = grafisk brukergrensesnitt. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Bio-hybrid drone. (A) Bio-hybrid drone basert på en silkemoth antenne. (B) Bio-hybrid drone med sensorkabinettet. (C) Konfigurasjon av bio-hybrid drone. Skalastenger (A, B) = 50 mm. Forkortelse: CFRP = karbonfiberforsterket plast. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: Typisk kontinuerlig responsprofil for EAG-enheten på skrivebordet stimulert av bombykol. Forkortelse: EAG = elektroantennografi. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: Eksperimentelt miljø av bio-hybrid drone og signalintensitet av EAG-enheten. (A) Bilde av det eksperimentelle miljøet med bio-hybrid dronen, som autonomt svevde 95 cm over bakken i en avstand på 90 cm fra luktkilden. (B) Sammenligning mellom de typiske signalene til EAG-enheten og kommersiell gasssensor på dronen. (C) Typisk signalintensitet for EAG-enheten uten å utstyre sensorkabinettet på dronen i hver vinkel (N = 1). (D) Gjennomsnittlig signalintensitet for EAG-enheten med kabinettet på dronen i hver vinkel (N = 3; individuelle tester). Enheten for signalintensitetene er V.C og D er modifisert fra Terutsuki et al.26. Forkortelser: EAG = elektroantennografi; TVOC = totalt flyktige organiske forbindelser. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: Manuell luktstimulering for å demonstrere deteksjon og sporing av lukt i et rom av biohybridddronen.

Figure 8
Figur 8: Lokalisering av luktkilde av biohybridddronen. (A) Utsiktspunkt fra takkameraet til flyområdet til biohybridddronen. (B) Typisk flybane, (C) yaw vinkler, og (D) EAG-signalintensiteter under lokalisering av luktkilde ved hjelp av spiralbølgealgoritmen. Disse tallene er representative resultater (N=1). A-D er endret fra Terutsuki et al.26. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Supplerende video S1: Demonstrasjon av manuell luktstimulering ved hjelp av bio-hybrid drone. Klikk her for å laste ned denne videoen.

Discussion

Mobile roboter med EAG-enheter ble først utviklet for 25 år siden20. Siden da har det vært betydelige fremskritt innen robotteknologi, inkludert droner. Tatt i betraktning disse teknologiske fremskrittene, utviklet vi en autonom bio-hybrid drone med en EAG-enhet basert på en silkemothantenne for luktdeteksjon og lokalisering i luft26. Denne studien demonstrerer driften av den utviklede bio-hybrid dronen og sporing av manuell stimulering av lukt i et rom ved hjelp av dronen.

I denne studien, da silkemothantenner ble festet til elektroder ved hjelp av elektrisk ledende gel, bekreftet vi at begge ender av hver antenne tok kontakt med elektrodene sikkert før de begynte EAG-eksperimenter på skrivebordet eller dronen. Hvis signaler fra EAG-enheten plutselig gikk tapt under eksperimentet, ville en forsker først sjekke tilkoblingen av antennen med elektrodene. Det er mulig at dette problemet oppstod med større sannsynlighet i EAG-eksperimentene på dronen. Mens levetiden til isolerte silkemothantenner er mer enn en time, fordi gelen tørket ut på et dusin til dusinvis av minutter i denne studien, kan tilsetningen av gel til antennens tilkoblingspunkter og elektrodene bidra til å gjenopprette signalintensiteter.

Dronen i denne studien var utstyrt med VPS bestående av et kamera og en infrarød sensor for flystabilisering. Vi fant ut at dronen drev under sveving på et glatt gulv, noe som kan ha forårsaket ustabiliteten til en infrarød sensor under dronens kropp. Det samme problemet oppsto noen ganger da eksperimenter ble utført ved hjelp av denne dronen i et rom med et jevnt gulv som fliser. Derfor dekket vi gulvet med hevede tepper (vi brukte firefargede tepper på 45 cm × 45 cm område) og reduserte dronens drift. Denne prosessen ble funnet å være nyttig for flystabilisering av EAG-eksperimentene på dronen.

Betydningen av bio-hybrid dronen i denne studien ligger i dens evne til å gjenkjenne luktkonsentrasjon og sensorretning mot luktkilder. Dronen identifiserte forskjeller i luktkonsentrasjon i sanntid utenfor en vindtunnel og lokaliserte kilden ved hjelp av spiralbølgealgoritmen (figur 8). Spiralbølgealgoritmen29,30 krever ikke plume-location informasjon under plume reacquisition og viser sin relativt høye pålitelighet, sammenlignet med støpealgoritmen, i en lavhastighets laminær strømning30. Denne algoritmen ble tidligere installert på en bakkemobil robot30; Det var imidlertid nødvendig med en vindretningssensor for å gjenkjenne motvindsretningen. Luktinformasjon ble binarisert, og konsentrasjonen ble ignorert.

For den insektantennebaserte dronen er montering av flere sensorer, for eksempel vindsensorer, en avveining mellom nyttelast og batteriforbruk. I tillegg ble luktinformasjon oppdaget av EAG på dronen fortsatt vurdert for å avgjøre om den oversteg enterskel 25. Den bio-hybrid drone design som brukes i denne studien forbedret direkteiteten til EAG-enheten selv og krevde ikke en vindretningssensor. Sensorens direktivitet gjorde det mulig for dronen å bruke luktkonsentrasjonsinformasjon under spiralbevegelser i et rommiljø som var mer komplekst enn en vindtunnel. En sylindrisk innhegning ble brukt i denne studien; Imidlertid bør et mer forseggjort og lett kabinett utvikles i fremtiden.

Imidlertid har bio-hybrid dronen som er undersøkt i denne studien noen begrensninger. For eksempel var avstanden til lokalisering av luktkilde fortsatt begrenset. På grunn av deres høye mobilitet bør droner være i stand til å søke etter lukt over lange avstander i rekkefølge på flere titalls meter. Avstanden oppnådd av insektantennebasert biohybriddrone var imidlertid begrenset til 2 m26, og lokaliseringstester av luktkilder ble utført i en vindtunnel med begrenset plass25. Utvidelse av søkeavstanden er avgjørende for utviklingen av en praktisk luktdetekterende flyplattform.

For langdistansesøk (over 10 m) kreves en høy sensorledningsevne og en effektiv lokaliseringsalgoritme for luktkilder, gitt at fortynning av luktkonsentrasjonen og kompleks fordeling av luktrøret forventes. Stereo sensing ved hjelp av to antenner av samme insekt kan øke direksjonaliteten23. De fleste lokaliseringsforsøk med luktkilder ved hjelp av små droner med kommersielle gasssensorer ble utført ved hjelp av en enkelt sensor, og en EAG-enhetsmatrise på droner ble ikke utført. Derfor må en EAG-enhetsmatrise utvikles for små droner for å øke potensialet for luktmåling. EAG-enhetsmatrisen vil også lette utviklingen av en effektiv lokaliseringsalgoritme for luktkilder, da det gir mulighet for mer presis lokalisering av en luktrør.

Insektantennebaserte biohybrid luktdetekterende droner bidrar til både grunnleggende og anvendt forskning. Fra perspektivet av grunnleggende forskning kan slike droner brukes som testplattformer for å utvikle lokaliseringsalgoritmer for luktkilder. Ulike algoritmer har tidligere blitt foreslått31; Testplattformer ved hjelp av en mobil robot som utførte todimensjonale luktsøk eller kommersielle gasssensorer, har imidlertid vist begrenset ytelse. I disse oppsettene er det vanskelig for foreslåtte algoritmer å demonstrere ytelsen. Biohybridddronen i denne studien viste luktkonsentrasjonsgjenkjenningsevne samt sensor directivity, følsomhet og selektivitet. Derfor viser det stort løfte om installasjon i mer avanserte eller tredimensjonale luktkildelokaliseringsalgoritmer.

Når det gjelder applikasjoner, kan biohybriddroner distribueres på oppdrag som levende dyr kan ha problemer med å nærme seg, for eksempel å oppdage giftige kjemiske / biologiske lekkasjer, eksplosive materialer og søk-og-redningsoperasjoner. For å bruke slike droner på disse oppdragene, må insektantennene oppdage luktstoffmolekyler som er inkludert i målluktkilder. Silkmoth antenner kan genetisk modifiseres32 for å ha potensial til å oppdage luktstoffer andre enn den kvinnelige silkemoth sex feromone; Dermed blir disse applikasjonene nå virkelighet.

Disclosures

Forfatterne har ingen interessekonflikter å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble delvis støttet av et forskningsstipend fra The Murata Science Foundation. Forfatterne ønsker å anerkjenne Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Japan, for å bistå i utviklingen av droneplattformene og programmering og Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, for å bistå med utformingen av de elektroniske kretsene. Forfatterne vil også takke Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) for å ha gitt renset bombykol; Mr. Takuya Nakajo (RCAST, Universitetet i Tokyo) for støtte til silkerøravl; og Mr. Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) for å støtte oppkjøpet av silkemoth-bilder.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Tags

Engineering Utgave 174 Drone bio-hybrid robotikk elektroantennogram silkemoth insektantenne lukt biosensor luktkilde lokalisering spiral-bølge algoritme
Elektroantennografibasert biohybrid luktdetekterende drone ved hjelp av silkmothantenner for lokalisering av luktkilde
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Terutsuki, D., Uchida, T., Fukui,… More

Terutsuki, D., Uchida, T., Fukui, C., Sukekawa, Y., Okamoto, Y., Kanzaki, R. Electroantennography-based Bio-hybrid Odor-detecting Drone using Silkmoth Antennae for Odor Source Localization. J. Vis. Exp. (174), e62895, doi:10.3791/62895 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter