Summary
Este estudio introduce protocolos experimentales para un dron bio-híbrido de detección de olores basado en antenas de seda. Se presenta el funcionamiento de un dispositivo experimental de electroantenograma con antenas de sedamo, además de la estructura de un dron biohíbrido diseñado para la localización de fuentes de olor utilizando el algoritmo de sobretensión en espiral.
Abstract
Los pequeños drones con dispositivos químicos o biosensores que pueden detectar moléculas odorantes en el aire han atraído una atención considerable debido a su aplicabilidad en el monitoreo ambiental y de seguridad y las operaciones de búsqueda y rescate. Se han desarrollado pequeños drones con sensores comerciales de gas metal-óxido-semiconductor (MOX) para la localización de fuentes de olor; sin embargo, su rendimiento de detección de olores en tiempo real ha demostrado ser inadecuado. Sin embargo, las tecnologías de biodetección basadas en sistemas olfativos de insectos exhiben una sensibilidad, selectividad y respuesta en tiempo real relativamente altas con respecto a las moléculas odorantes en comparación con los sensores de gas MOX comerciales. En tales dispositivos, las antenas de insectos extirpadas funcionan como elementos biosensores odorantes portátiles y se ha encontrado que ofrecen un excelente rendimiento de detección. Este estudio presenta protocolos experimentales para la detección de moléculas odorantes en el aire utilizando un pequeño dron bio-híbrido autónomo basado en un dispositivo de electroantennografía montable (EAG) que incorpora antenas de sedamoth.
Desarrollamos un dispositivo EAG montable que incluye piezas de detección / procesamiento con un módulo Wi-Fi. El dispositivo estaba equipado con una carcasa de sensor simple para mejorar la directividad del sensor. Por lo tanto, la localización de la fuente de olor se llevó a cabo utilizando el algoritmo de sobretensión en espiral, que no asume una dirección a favor del viento. El dron experimental biohíbrido de detección de olores identificó diferencias de concentración de olores en tiempo real en un entorno pseudo-abierto (fuera de un túnel de viento) y localizó la fuente. El dron desarrollado y el sistema asociado pueden servir como una herramienta eficiente de detección de moléculas odorantes y una plataforma de vuelo adecuada para desarrollar algoritmos de localización de fuentes de olores debido a su alta programabilidad.
Introduction
Con los avances recientes, los drones pequeños con dispositivos de detección química se han vuelto altamente aplicables en el monitoreo ambiental y de seguridad y la detección de fugas de gas1. Recientemente se han aplicado drones pequeños (con un diámetro aproximado < 20 cm) con sensores comerciales de gas metal-óxido-semiconductor (MOX) para realizar mapeo de olores o localización de fuentes deolores 2,3,4. Al buscar fuentes de olor, un dron debe rastrear las columnas de olor; sin embargo, la localización de la fuente de olor utilizando pequeños drones presenta desafíos significativos. En un entorno abierto, las estructuras de penacho de olor están sujetas a cambios continuos debido a factores ambientales como el viento o el paisaje. Por lo tanto, los drones deben ser capaces de identificar las diferencias de concentración de odorantes y las direcciones que varían con el tiempo; sin embargo, el rendimiento de detección de olores de los sensores MOX comerciales sigue siendo inadecuado para la detección en tiempo real debido a su lento tiempo de recuperación5.
Los sistemas bio-híbridos formados por la fusión de sistemas biológicos y artificiales son una tendencia reciente en robótica y tecnologías de sensores6,mostrando un gran potencial para superar las capacidades de los enfoques existentes. Por ejemplo, se ha desarrollado una red de sensores bio-robóticos basados en cucarachas para su aplicación en situaciones de desastre7. Se han realizado experimentos en los que se ha encomendado a ratas cyborg con inteligencia computacionalmente mejorada la tarea de resolver laberintos8. Se ha investigado la posibilidad de integración social de robots biomiméticos en grupos de peces cebra reales9.
Naturalmente, esta tendencia se ha aplicado para desarrollar sensores odorantes10. Por ejemplo, los biosensores basados en sistemas olfativos de insectos tienen una sensibilidad y selectividad relativamente altas con respecto a varias moléculas odorantes en comparación con los sensores MOX existentes11. En esta línea, previamente habíamos desarrollado sistemas biosensores odorantes bio-híbridos basados en una combinación de células de insectos que expresan receptores odorantes de insectos y un microscopio o dispositivos electrónicos12,13, 14,15,16. Además, las antenas de insectos se pueden utilizar de forma independiente como piezas portátiles de detección de odorantes con alta sensibilidad, selectividad, reproducibilidad y tiempo de respuesta / recuperación rápido, utilizando la técnica de electroantennografía (EAG)17,18,19. Se han desarrollado varios robots de detección de olores móviles terrestres con técnicas EAG basadas en antenas de insectos20,21,22, 23 o pequeños drones con dispositivos EAG24,25 para la detección de olores y la localización de fuentes de olores. Estos robots mostraron sensibilidad del sensor y capacidad de detección en tiempo real. Sin embargo, la movilidad de los robots móviles terrestres está significativamente influenciada por las características u obstáculos de la tierra. Además, el rendimiento de vuelo y los algoritmos de localización de la fuente de olor de los drones bioinbrides existentes basados en EAG siguen siendo limitados porque las condiciones experimentales se han limitado al vuelo24 atado o a que se realice en un pequeño túnel de viento25.
Este estudio presenta protocolos experimentales para la detección de olores en el aire y la localización de fuentes de olor utilizando un dron bio-híbrido recientemente desarrollado basado en antenas de seda(Bombyx mori)26. Desarrollamos un dispositivo EAG ligero y de tamaño montable con una función de comunicación inalámbrica para detectar las respuestas de olor de las antenas de sedamoth. El dispositivo EAG se montó en un pequeño dron, instalado en una carcasa de sensor simple para mejorar la directividad del sensor para las moléculas odorantes y reducir el ruido. El dron bio-híbrido detectó de forma reproducible moléculas odorantes en el aire e identificó la concentración máxima de odorante durante los movimientos en espiral. Además, el dron localizó la fuente de olor utilizando el algoritmo de oleada en espiral sin información de la dirección del viento.
Protocol
1. Insectos
NOTA: Los huevos de las sedas(Bombyx mori)fueron comprados a una empresa nacional. Las sedas se usaron dentro de los 10 días posteriores a su salieron de los capullos. Preparar tres sedas adultas para los experimentos (seis antenas); sin embargo, este número se puede cambiar dependiendo de los requisitos experimentales.
- Incubar los huevos de la coronía a 15 °C durante 24 h y moverlos a una incubadora a 25 °C.
NOTA: Los gusanos de seda eclosionan aproximadamente 10-13 días después. - Coloque los gusanos de seda en dietas artificiales en rodajas en un plato de plástico.
- Después de 20-25 días de cría de gusanos de seda, observe la formación y pupación de los gusanos de seda dentro de los capullos.
NOTA: El procedimiento de cultivo incluye alimentación, eliminación y desinfección en un ambiente a 25 °C. Las sedas emergen de los capullos después de 10-15 días.
2. Odorantes y preparación de la fuente de olor
NOTA: El componente principal de la feromona sexual femenina de la seda, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), se utilizó como fuente de olor para realizar la estimulación. Una seda macho(Figura 1A)puede identificar y discriminar bombykol27,y se han utilizado antenas aisladas de sedamoth para actuar como biosensor en robots móviles20,21,22. Guarde el bombykol purificado disuelto en hexano (10 mg/ml) en un frasco de almacenamiento con alto sellado en un refrigerador a -30 °C.
- Inserte una jeringa en el frasco de almacenamiento de alta sellado y retire e inyecte 2 ml de bombykol de 2000 ng/μL en un vial de 10 ml. Luego, agregue 8 ml de hexano al mismo vial.
- Diluir 400 ng/μL de bombykol a 2 ng/μL de bombykol con hexano en un vial de 1 ml.
- Corte el papel de filtro en trozos de 10 mm × 10 mm, enrollarlos en forma cilíndrica y colóquelos en un tubo de vidrio (diámetro interno [ID]: 5 mm; diámetro exterior [OD]: 7 mm; longitud [L]: 100 mm).
- Deje caer una muestra diluida (100 ng bombykol disuelto en 50 μL de hexano) sobre una porción del papel de filtro en el tubo de vidrio.
- Cierre ambos extremos del tubo de vidrio con el papel de filtro usando goteros de polietileno cortados en el medio.
3. Experimentos EAG en una superficie de escritorio fija
NOTA: El dispositivo EAG montable, que funciona como un biosensor portátil en un dron pequeño, se muestra en la Figura 1B. El dispositivo incluía filtros de paso alto (0,1 Hz) y paso bajo (300 Hz). La información detallada del circuito eléctrico se describe en Terutsuki et al.26
- Realice la adquisición y el análisis de datos en una computadora personal (PC) después de que el dispositivo EAG haya enviado los datos de medición.
- Para generar aire purificado, pase el flujo de aire generado por una bomba de aire compacta con un ventilador de enfriamiento a través del algodón, gránulos de carbón activado y agua destilada. Luego, pase el aire purificado a través de un tubo de vidrio para la estimulación.
NOTA: Una fotografía del sistema de estimulación de olores se muestra en la Figura 1C. La trayectoria del flujo de aire se indica mediante flechas negras. La trayectoria del flujo de aire del puerto de escape de la válvula solenoide se indica mediante la flecha negra discontinua. - Establezca el caudal como 5 L min-1 utilizando un caudalímetro para la estimulación del olor en la configuración experimental fija. Establezca un caudal más alto para la generación, asumiendo estimulaciones de olor de varios metros para los experimentos con drones.
NOTA: Que el caudal (5 L min-1)no afectó a la detección de señal del dispositivo EAG había sido confirmado previamente26. La velocidad máxima del flujo de aire en la posición del dispositivo EAG durante la estimulación se midió como 3,9 m s-1 utilizando un anemómetro. - Use una válvula solenoide con un microcontrolador para estimular el dispositivo EAG y realizar las estimulaciones automáticamente.
- Establezca el tiempo de estimulación en 0.5 s usando la válvula solenoide.
- Use gel conductor de electricidad para conectar una antena de seda al electrodo.
NOTA: Este procedimiento no requiere la inserción de cables a escala micrométrica en ambos extremos de una antena de sedamoth para conectarla al dispositivo EAG.- Aislar antenas de seda usando tijeras postmortem (Figura 2A,B) sin anestesia. Consulte la Figura 2C para obtener una vista ampliada de la antena.
- Corte ambos lados de la antena de seda aislada y conéctela a los electrodos recubiertos de Ag/AgCl de la parte de detección del dispositivo EAG(Figura 3A)utilizando gel conductor eléctrico.
- Conecte el tubo de vidrio que contiene bombykol al sistema de estimulación de olores (asegúrese de que la bomba ya esté encendida).
- Fije el tubo de vidrio de tal manera que su punta esté a 10 mm de la antena de seda en el dispositivo EAG (Figura 3B).
- Establezca el puerto de escape (diámetro de 60 mm) a 30 mm detrás del dispositivo EAG para estabilizar el flujo de aire y evitar el estancamiento de feromonas(Figura 3B).
- Encienda el dispositivo EAG. Conecte el PC al punto de acceso Wi-Fi.
- Ejecute el programa de adquisición de datos en el PC. Consulte la Figura 3C para la interfaz gráfica de usuario (GUI) en el PC para los experimentos.
- Después de presionar el botón Tierra en el menú Registro para decidir el estado experimental, presione el botón Inicio de registro para la adquisición de datos. Cinco segundos después de presionar el botón Iniciar registro, inicie las estimulaciones de olor.
- Presione el botón Detener registro en la GUI para detener la grabación.
4. Drone
NOTA: En este estudio se utilizó una plataforma de vuelo de drones comerciales (98 mm x 93 mm x 41 mm; peso 87 g; tiempo máximo de vuelo 13 min). La carga útil del dron fue de aproximadamente 30 g según los experimentos. El dron estaba equipado con un sistema de posicionamiento de visión (VPS) que consistía en una cámara y un sensor infrarrojo debajo de su cuerpo, lo que permitía un flotar estable sin un sistema de posicionamiento externo.
- Retire la cubierta superior del dron y agregue una placa personalizada de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) utilizando un soporte impreso en tres dimensiones (3D) para conectar el dispositivo EAG. Consulte la Figura 4A para obtener una imagen del dron bio-híbrido.
NOTA: El desarrollador de drones ofrece un kit de desarrollo de software (SDK) y programas Python de muestra (consulte la Tabla de materiales); por lo tanto, el programa de control de drones para experimentos de vuelo se basó en estos. - Envía comandos de vuelo a través de la PC para controlar el dron.
NOTA: Por seguridad, se requieren guantes resistentes a los cortes para detener (atrapar) el dron en un aborto de emergencia. La GUI está equipada con un botón de parada de emergencia para detener inmediatamente la rotación de las hélices del dron(Figura 3C).
5. Preparación del área experimental de vuelo
- Prepare un área de vuelo experimental (5.0 m x 3.2 m x 3.0 m) y equípela con una cámara de vigilancia comercial en el techo.
- Establezca el caudal del sistema de estimulación de olores como 5 L min-1 y el tiempo de estimulación a 0,5 s utilizando la válvula solenoide.
6. Experimentos de EAG en el dron
- Aísle las antenas de la seda con tijeras postmortem y corte ambos lados de la antena.
- Conecte las antenas aisladas a los electrodos recubiertos de Ag/AgCl de la parte de detección del dispositivo EAG utilizando gel conductor de electricidad.
- Conecte el tubo de vidrio que contiene bombykol (50.000 ng en 250 μL de hexano/papel de filtro) al sistema de estimulación de olores (con la bomba ya encendida).
- Fije el tubo de vidrio de modo que el tubo y su punta estén paralelos y directamente por encima del borde del escritorio, respectivamente.
- Configure el circulador de modo que la parte más sobresaliente (el centro del ventilador) esté a 15 cm del borde del escritorio.
- Ajuste la velocidad del viento del circulador a 1 (potencia mínima) presionando el botón de la consola.
- Monte el dispositivo EAG en el dron. Conecte el PC al punto de acceso Wi-Fi. Encienda el dispositivo EAG y el dron.
NOTA: El interruptor del dispositivo EAG se encuentra en la parte de procesamiento. - Ejecute el programa de control de drones en la PC.
- Después de que la luz del dron parpadee en amarillo, presione el botón apropiado en el menú Comando en la GUI(Figura 3C)de la PC para ejecutar el comando.
NOTA: Después de que el dron esté conectado a la PC, la luz del dron se volverá verde. - Presione el botón Despegar en la GUI para colocar el dron sobre el suelo.
- Después de presionar el botón Vuelo en el menú Registro para decidir el estado experimental, presione el botón Inicio de registro para la adquisición de datos.
NOTA: La estimulación del olor se iniciará 5 s después de presionar el botón Iniciar registro. - Presione el botón Detener registro en la GUI para detener la grabación.
- Envíe el comando Stop en intervalos de 5 s después del despegue del dron para mantener el estado de flotación, ya que el dron aterriza automáticamente si no se opera durante aproximadamente 15 s.
- Después de que la luz del dron parpadee en amarillo, presione el botón apropiado en el menú Comando en la GUI(Figura 3C)de la PC para ejecutar el comando.
7. Carcasa del sensor
- Desarrollar una carcasa de sensor (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) basado en un tubo de fibra de carbono para mejorar la directividad del sensor. Consulte la Figura 4B,C para obtener una imagen del dron bioinbridez con su carcasa y configuración del sensor.
- Cubra la parte de detección con un tubo de aislamiento termocontacdor y fije a la pared interior del gabinete con cinta adhesiva de doble cara.
- Inserte la parte de detección del dispositivo EAG en la carcasa del sensor.
- Establezca la distancia entre la punta de los electrodos y la punta de la carcasa como 10 mm.
8. Demostración de rastreo de olores utilizando el dron bio-híbrido
- Aísle las antenas de la seda con tijeras postmortem y corte ambos lados de la antena.
- Conecte la antena aislada a los electrodos recubiertos de Ag/AgCl de la parte de detección del dispositivo EAG utilizando gel conductor eléctrico.
- Monte el dispositivo EAG con la carcasa del sensor en el dron.
- Coloque el dron para que comience un movimiento de giro de aproximadamente 90 ° a la izquierda y a la derecha.
- Estimule el dispositivo EAG en el dron utilizando poli-goteros que contengan bombykol durante estos movimientos.
- Realizar cuatro ciclos del paso 8.5.
NOTA: Después del paso 8.6, el dron girará en el sentido de las agujas del reloj. Al realizar la estimulación durante este movimiento, el dron realizará una rotación en sentido contrario a las agujas del reloj y aterrizará.
9. Localización de la fuente de olor utilizando el dron bio-híbrido
- Conecte el tubo de vidrio que contiene bombykol (50.000 ng en 250 μL de hexano/papel de filtro) a la bomba que ya está encendida.
- Fije el tubo de vidrio de tal manera que su punta esté a 150 mm del circulador.
- Defina la dirección hacia la fuente de olor como 0 ° y configure el dron en un ángulo de 270 ° en el sentido de las agujas del reloj desde la fuente de olor en el punto de partida.
- Conecte el PC al punto de acceso Wi-Fi y encienda el dispositivo EAG y el dron.
- Ejecute el programa de control de drones en la PC.
- Después de que la luz del dron parpadee en amarillo, presione el botón apropiado en el menú Comando en la GUI de la PC(Figura 3C)para ejecutar el comando.
NOTA: Después de que el dron esté conectado a la PC, la luz del dron se volverá verde. - Presione el botón Despegar en la GUI para colocar el dron sobre el suelo.
- Después de presionar el botón Buscar en el menú Registro para decidir el estado experimental, presione el botón Inicio de registro para la adquisición de datos. Luego, presione el botón de inicio buscar en el menú Comando para iniciar la localización de la fuente de olor utilizando el algoritmo de sobretensión en espiral y las estimulaciones cíclicas de olor (olor: 0.5 s; intervalo: 2.0 s) de la fuente de olor.
- Después de aterrizar el dron, presione el botón Log stop en la GUI para detener la grabación.
- Después de que la luz del dron parpadee en amarillo, presione el botón apropiado en el menú Comando en la GUI de la PC(Figura 3C)para ejecutar el comando.
Representative Results
Este documento describe los protocolos para las mediciones de señal utilizando el dispositivo EAG propuesto montado en un escritorio y un dron. Primero, evaluamos el rendimiento del dispositivo EAG en un escritorio. Una antena de seda en el dispositivo EAG fue estimulada por bombykol. Veinticinco estimulaciones continuas se realizaron utilizando 100 ng de bombykol disuelto en 50 μL de hexano con intervalos de 5 s, controlado por un microcontrolador. Los resultados indicaron que el dispositivo EAG propuesto respondió de manera reproducible a las estimulaciones(Figura 5).
El rendimiento de detección de olores del dispositivo EAG se evaluó posteriormente en el dron. El dron equipado con el dispositivo EAG flotaba a una altura de 95 cm del suelo y a una distancia de 90 cm de la fuente de olor(Figura 6A). Siguiendo el procedimiento descrito en la sección 6, se midieron las señales del dispositivo EAG en el dron en relación con bombykol (50.000 ng en 250 μL de hexano/papel de filtro). El rendimiento del sensor de un sensor de gas comercial en un dron se evaluó para su comparación. Se utilizó un sensor de gas digital multi píxel28 para detectar vapores de etanol. Este sensor se puede utilizar para la detección de compuestos orgánicos volátiles totales (TVOC).
Según la hoja de datos, el rango de señal TVOC del sensor fue de 0-60,000 ppb. El dron con la placa de arranque del sensor de gas flotaba en las mismas condiciones que el dispositivo EAG. Además, se utilizaron 500 μL de etanol (99,5% de pureza) como fuente de olor en lugar de bombykol. Las señales típicas del dispositivo EAG y el sensor de gas en el dron se muestran en la Figura 6B. Como las moléculas odorantes y los dispositivos sensores diferían en esta comparación, no se pudieron realizar comparaciones cuantitativas. Sin embargo, los resultados experimentales sugieren que puede ser difícil para un dron con un sensor de gas comercial detectar moléculas odorantes con una velocidad de respuesta / recuperación rápida. En particular, el tiempo de recuperación del sensor de gas en este estudio fue significativamente mayor que el del dispositivo EAG con antenas de sedamoth.
También evaluamos la directividad del sensor del dispositivo EAG en el dron. En este estudio, la dirección hacia la fuente de olor se definió como 0 °, y el dron se giró en el sentido de las agujas del reloj en intervalos de 60 ° para evaluar las intensidades de la señal en cada ángulo. Para el dron sin una carcasa de sensor, la intensidad de la señal a 180 °, mientras que el dron miraba en la dirección opuesta a la fuente de olor, era ocasionalmente mayor que la de 0 °(Figura 6C). Sin embargo, para el dron equipado con el gabinete, la intensidad de la señal del EAG a 0 ° se hizo más alta que la de 180 °(Figura 6D). En consecuencia, la carcasa del sensor mejoró la directividad del sensor del dispositivo EAG en el dron.
Se realizó una demostración de rastreo de olores utilizando el dron bio-híbrido con la carcasa del sensor. Los resultados indicaron que el dron detectó bombykol en el aire fuera de un túnel de viento e identificó la dirección de la pluma de olor mediante movimientos pivotantes(Figura 7,Video Suplementario S1). Finalmente, la localización de la fuente de olor se llevó a cabo en base al algoritmo de sobretensión en espiral utilizando el dron bio-híbrido(Figura 8A). El dron se estableció a 270 ° de la fuente de olor en el punto de partida. Después de flotar, el dron comenzó a buscar el valor máximo de la intensidad de la señal durante los movimientos en espiral en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. Luego, el dron avanzó en la dirección del valor máximo de la intensidad de la señal. Después de repetir seis veces la espiral de búsqueda de olores y los movimientos de oleadas, el dron aterrizó en el suelo. El diagrama de flujo del algoritmo de oleada en espiral se describe en Terutsuki et al.26
La trayectoria, los ángulos de guiñada y las señales EAG durante la localización de la fuente de olor se presentan en la Figura 8B-D. La Figura 8D muestra que el tiempo de detección, incluidos los tiempos de respuesta y recuperación del dispositivo EAG en el dron, fue de aproximadamente 1 s. El dron modificó de forma autónoma su movimiento buscando la máxima concentración de olor durante los movimientos en espiral. Los lectores pueden ver videos de la localización de la fuente de olor por el dron bio-híbrido descrito por Terutsuki et al.26.
Figura 1:La seda, el dispositivo EAG y el sistema de estimulación de olores. (A) Imagen de una seda masculina. (B) Imagen del dispositivo EAG montable para un dron pequeño. (C) Imagen del sistema de estimulación de olores con direcciones de flujo de aire. Abreviatura: EAG = electroantennografía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Aislamiento de la antena de la seda. (A) Aislamiento de una antena de seda utilizando tijeras postmortem. (B) Antena típica aislada de seda. (C) Vista ampliada de una antena aislada de seda; barra de escala = 0.5 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3:Configuración del dispositivo EAG y GUI. (A) Instalación de una antena aislada de seda en los electrodos del dispositivo EAG utilizando gel. (B) Configuración para la estimulación de olores utilizando el dispositivo EAG en el escritorio. (C) La GUI para los experimentos. Abreviaturas: EAG = electroantennografía; GUI = interfaz gráfica de usuario. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Drone bio-híbrido. (A) Drone bio-híbrido basado en una antena de silkmoth. (B)Drone bio-híbrido con la carcasa del sensor. (C) Configuración del dron bio-híbrido. Barras de escala (A, B) = 50 mm. Abreviatura: CFRP = plástico reforzado con fibra de carbono. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Perfil de respuesta continua típico del dispositivo EAG en el escritorio estimulado por bombykol. Abreviatura: EAG = electroantennografía. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Entorno experimental del dron bio-híbrido e intensidad de la señal del dispositivo EAG. (A) Imagen del entorno experimental con el dron bio-híbrido, que flotaba de forma autónoma a 95 cm sobre el suelo a una distancia de 90 cm de la fuente de olor. (B) Comparación entre las señales típicas del dispositivo EAG y el sensor de gas comercial en el dron. (C) Intensidad de señal típica del dispositivo EAG sin equipar la carcasa del sensor en el dron en cada ángulo (N = 1). (D) Intensidad media de la señal del dispositivo EAG con la carcasa del dron en cada ángulo (N = 3; pruebas individuales). La unidad de las intensidades de la señal es V. C y D han sido modificadas a partir de Terutsuki et al.26. Abreviaturas: EAG = electroantennografía; TVOC = compuestos orgánicos volátiles totales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Estimulación manual del olor para demostrar la detección y el rastreo del olor en una habitación por el dron bio-híbrido. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Localización de la fuente de olor por el dron bio-híbrido. (A) Mirador desde la cámara del techo del área de vuelo del dron bio-híbrido. (B) Trayectoria de vuelo típica, (C) ángulos de guiñada y (D) intensidades de señal EAG durante la localización de la fuente de olor utilizando el algoritmo de sobretensión en espiral. Estas cifras son resultados representativos (N=1). A-D han sido modificados de Terutsuki et al.26. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video suplementario S1: Demostración de la estimulación manual de olores utilizando el dron bio-híbrido. Haga clic aquí para descargar este video.
Discussion
Los robots móviles con dispositivos EAG se desarrollaron por primera vez hace 25 años20. Desde entonces, ha habido avances significativos en las tecnologías robóticas, incluidos los drones. Teniendo en cuenta estos avances tecnológicos, desarrollamos un dron bio-híbrido autónomo con un dispositivo EAG basado en una antena de sedamoth para la detección y localización de olores en el aire26. Este estudio demuestra el funcionamiento del dron bio-híbrido desarrollado y el rastreo de la estimulación manual de olores en una habitación utilizando el dron.
En este estudio, como las antenas de la seda se unieron a los electrodos utilizando gel conductor de electricidad, verificamos que ambos extremos de cada antena hicieron contacto con los electrodos de forma segura antes de comenzar los experimentos de EAG en el escritorio o el dron. Si las señales del dispositivo EAG se perdieran repentinamente durante el experimento, un investigador primero verificaría la conexión de la antena con los electrodos. Es posible que este problema ocurriera con una mayor probabilidad en los experimentos de EAG en el dron. Si bien la vida útil de las antenas aisladas de la vapora de seda es de más de una hora, debido a que el gel se secó en una docena o docenas de minutos en este estudio, la adición de gel a los puntos de conexión de las antenas y los electrodos puede ayudar a recuperar las intensidades de la señal.
El dron en este estudio estaba equipado con el VPS que comprende una cámara y un sensor infrarrojo para la estabilización de vuelo. Descubrimos que el dron se desplazó durante el flotar en un piso liso, lo que puede haber causado la inestabilidad de un sensor infrarrojo debajo del cuerpo del dron. El mismo problema a veces surgió cuando se realizaron experimentos con este dron en una habitación con un piso liso como baldosas. Por lo tanto, cubrimos el piso con alfombras elevadas (utilizamos alfombras de cuatro colores de 45 cm × área de 45 cm) y redujimos la deriva del dron. Se encontró que este proceso era útil para la estabilización de vuelo de los experimentos EAG en el dron.
La importancia del dron bio-híbrido en este estudio radica en su capacidad para reconocer la concentración de olor y su directividad del sensor hacia las fuentes de olor. El dron identificó diferencias de concentración de odorantes en tiempo real fuera de un túnel de viento y localizó la fuente utilizando el algoritmo de sobretensión en espiral(Figura 8). El algoritmo de sobretensión en espiral29,30 no requiere información de ubicación del penacho durante la readquisición del penacho y exhibe su confiabilidad relativamente alta, en comparación con la del algoritmo de fundición, en un flujo laminar de baja velocidad30. Este algoritmo se instaló previamente en un robot móvil terrestre30; sin embargo, se requería un sensor de dirección del viento para reconocer la dirección del viento a favor. La información sobre olores fue binarizada y la concentración fue ignorada.
Para el dron basado en antenas de insectos, el montaje de sensores adicionales, como los sensores de viento, es una compensación entre la carga útil y el consumo de batería. Además, la información de olor detectada por el EAG en el dron aún se evaluó para determinar si superó un umbral25. El diseño de dron bio-híbrido utilizado en este estudio mejoró la directividad del dispositivo EAG en sí y no requirió un sensor de dirección del viento. La directividad del sensor permitió al dron utilizar la información de concentración de olores durante los movimientos en espiral en un entorno de habitación que era más complejo que un túnel de viento. En este estudio se utilizó un recinto cilíndrico; sin embargo, en el futuro debería desarrollarse una carcasa más elaborada y ligera.
Sin embargo, el dron bio-híbrido examinado en este estudio tiene algunas limitaciones. Por ejemplo, la distancia de localización de la fuente de olor todavía era limitada. Debido a su alta movilidad, los drones deberían ser capaces de buscar olores a largas distancias del orden de varias decenas de metros. Sin embargo, la distancia alcanzada por el dron bio-híbrido basado en antena de insectos se limitó a 2 m26,y las pruebas de localización de la fuente de olor se realizaron en un túnel de viento con espacio limitado25. Ampliar la distancia de búsqueda es esencial para el desarrollo de una plataforma de vuelo práctica de detección de olores.
Para búsquedas a larga distancia (más de 10 m), se requiere una alta directividad del sensor y un algoritmo eficiente de localización de la fuente de olor, dado que se espera la dilución de la concentración de olor y la distribución compleja de la pluma de olor. La detección estéreo utilizando dos antenas del mismo insecto puede aumentar la direccionalidad23. La mayoría de los experimentos de localización de fuentes de olor utilizando drones pequeños con sensores de gas comerciales se llevaron a cabo utilizando un solo sensor, y no se realizó una matriz de dispositivos EAG en drones. Por lo tanto, se debe desarrollar una matriz de dispositivos EAG para drones pequeños para aumentar su potencial de aplicación de detección de olores. La matriz de dispositivos EAG también facilitaría el desarrollo de un algoritmo de localización de fuentes de olor eficiente, ya que permite una localización más precisa de una pluma de olor.
Los drones bio-híbridos de detección de olores basados en antenas de insectos contribuyen a la investigación fundamental y aplicada. Desde la perspectiva de la investigación fundamental, estos drones se pueden utilizar como plataformas de prueba para desarrollar algoritmos de localización de fuentes de olores. Anteriormente se han propuesto varios algoritmos31; sin embargo, las plataformas de prueba que utilizan un robot móvil que realizó búsquedas de olores bidimensionales o sensores de gas comerciales han mostrado un rendimiento limitado. En estas configuraciones, es difícil para los algoritmos propuestos demostrar su rendimiento. El dron bio-híbrido en este estudio demostró la capacidad de reconocimiento de la concentración de olores, así como la directividad, sensibilidad y selectividad del sensor. Por lo tanto, muestra una gran promesa para la instalación en algoritmos de localización de fuentes de olor más avanzados o tridimensionales.
En términos de aplicaciones, los drones bio-híbridos se pueden desplegar en misiones a las que los animales vivos pueden tener dificultades para acercarse, como la detección de fugas químicas / biológicas tóxicas, materiales explosivos y operaciones de búsqueda y rescate. Para aplicar tales drones a estas misiones, las antenas de insectos necesitan detectar moléculas odorantes incluidas en las fuentes de olor objetivo. Las antenas de silkmoth pueden ser modificadas genéticamente32 para tener el potencial de detectar moléculas odorantes distintas de la feromona sexual femenina silkmoth; por lo tanto, estas aplicaciones se están convirtiendo en realidad.
Disclosures
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado en parte por una subvención de investigación de The Murata Science Foundation. Los autores desean agradecer a Smart Robotics Co., Ltd., Tokio, Japón, por ayudar en el desarrollo de las plataformas y programación de drones y Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japón, por ayudar con el diseño de los circuitos electrónicos. Los autores también desean agradecer al Dr. Shigeru Matsuyama (Escuela de Graduados de Ciencias de la Vida y del Medio Ambiente, Universidad de Tsukuba) por proporcionar bombykol purificado; el Sr. Takuya Nakajo (RCAST, Universidad de Tokio) por su apoyo a la cría de la seda; y el Sr. Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Universidad de Ciencias de Tokio) por apoyar la adquisición de imágenes de la seda.
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).
