Summary
Denna studie introducerar experimentella protokoll för en biohybrid luktdetekteringsdrönare baserad på silkesmothantenner. Driften av en experimentell elektroantennogramenhet med silkesmynningsantenner presenteras, förutom strukturen hos en biohybridddrönare utformad för luktkällalokalisering med hjälp av spiralvågsalgoritmen.
Abstract
Små drönare med kemiska eller biosensoriska enheter som kan upptäcka luftburna luktmolekyler har väckt stor uppmärksamhet på grund av deras tillämplighet i miljö- och säkerhetsövervakning och sök- och räddningsoperationer. Små drönare med kommersiella gassensorer för metalloxid-halvledare (MOX) har utvecklats för lokalisering av luktkälla. Deras prestanda för luktdetektering i realtid har dock visat sig vara otillräcklig. Biosensing-teknik baserad på insekts luktsystem uppvisar dock relativt hög känslighet, selektivitet och realtidsrespons när det gäller luktmolekyler jämfört med kommersiella MOX-gassensorer. I sådana enheter fungerar strukna insektsantenner som bärbara luktantennbiosensorelement och har visat sig ge utmärkt avkänningsprestanda. Denna studie presenterar experimentella protokoll för luktmolekyldetektering i luften med hjälp av en liten autonom biohybridddrönare baserad på en monteringsbar elektroantennografi (EAG) enhet som innehåller silkesmynnaner.
Vi utvecklade en monteringsbar EAG-enhet inklusive avkännings-/bearbetningsdelar med en Wi-Fi-modul. Enheten var utrustad med ett enkelt sensorhölje för att förbättra sensorns direkthet. Således utfördes luktkällans lokalisering med hjälp av spiralvågsalgoritmen, som inte antar en motvindsriktning. Den experimentella biohybrid luktdetekerande drönaren identifierade luktkoncentrationsskillnader i realtid i en pseudoöppen miljö (utanför en vindtunnel) och lokaliserade källan. Den utvecklade drönaren och tillhörande system kan fungera som ett effektivt luktmolekyldetekteringsverktyg och en lämplig flygplattform för att utveckla luktkälla lokaliseringsalgoritmer på grund av dess höga programmerbarhet.
Introduction
Med de senaste framstegen har små drönare med kemiska avkänningsenheter blivit mycket tillämpliga inom miljö- och säkerhetsövervakning och gasläckagedetektering1. Små drönare (med en diameter cirka < 20 cm) med kommersiella gassensorer av metalloxid-halvledare (MOX) har nyligen tillämpats för att utföra luktkartläggning eller luktkällalokalisering 2,3,4. När man söker efter luktkällor måste en drönare spåra luktplommon; Luktkällans lokalisering med hjälp av små drönare innebär dock betydande utmaningar. I en öppen miljö utsätts luktplommonstrukturer för ständiga förändringar på grund av miljöfaktorer som vind eller landskap. Därför bör drönare kunna identifiera luktkoncentrationsskillnader och riktningar som varierar över tiden; Luktdetekteringsprestandan hos kommersiella MOX-sensorer är dock fortfarande otillräcklig för realtidsavkänning på grund av deras långsamma återhämtningstid5.
Biohybridsystem som bildas genom sammanslagning av biologiska och artificiella system är en ny trend inom robotteknik ochsensorteknik 6, vilket visar stor potential för att överträffa kapaciteten hos befintliga metoder. Till exempel har ett biorobotiskt sensornätverk utvecklats baserat på kackerlackor för applicering i katastrofsituationer7. Experiment har utförts där cyborgråttor med beräkningsförbättrad intelligens fick i uppdrag att lösa labyrinter8. Möjligheten till social integration av biomimetiska robotar i grupper av riktiga zebrafiskar har undersökts9.
Naturligtvis har denna trend tillämpats för att utveckla luktsensorer10. Till exempel har biosensorer baserade på insekts luktsystem relativt hög känslighet och selektivitet när det gäller olika luktmolekyler jämfört med befintliga MOX-sensorer11. Längs dessa linjer hade vi tidigare utvecklat biohybrid luktbiosensorsystem baserade på en kombination av insektsceller som uttrycker insektsodorantreceptorer och ett mikroskop eller elektroniska enheter12,13,14,15,16. Dessutom kan insektsantenner självständigt användas som bärbara luktämnen med hög känslighet, selektivitet, reproducerbarhet och snabb respons / återhämtningstid, med hjälp av elektroantennografitekniken (EAG)17,18,19. Flera markmobila luktavkännande robotar med EAG-tekniker baserade på insektsantenner20,21,22,23 eller små drönare med EAG-enheter24,25 har utvecklats för luktdetektering och luktkälla lokalisering. Dessa robotar visade sensorkänslighet och realtidsavkänningsförmåga. Mobilitet hos markmobilrobotar påverkas dock i hög grad av markegenskaper eller hinder. Dessutom är lokaliseringsalgoritmerna för flygprestanda och luktkälla för befintliga EAG-baserade biohybriddrönare fortfarande begränsade eftersom experimentella förhållanden har begränsats till fastbunden flygning24 eller till att utföras i en liten vindtunnel25.
Denna studie presenterar experimentella protokoll för luktdetektering i luft- och luktkällans lokalisering med hjälp av en nyligen utvecklad biohybriddrönare baserad på silke (Bombyx mori)antenner 26. Vi utvecklade en EAG-enhet i monteringsstorlek och lättvikt med en trådlös kommunikationsfunktion för att upptäcka luktsvaren från silkesnaverantenner. EAG-enheten monterades på en liten drönare, installerad i ett enkelt sensorhölje för att förbättra sensorns direktivitet för luktmolekyler och minska bullret. Biohybridddrönaren upptäckte återproduktivt luftburna luktmolekyler och identifierade den maximala luktkoncentrationen under spiralrörelser. Dessutom lokaliserade drönaren luktkällan med hjälp av spiralvågsalgoritmen utan vindriktningsinformation.
Protocol
1. Insekter
OBS: Ägg av silkesmössor(Bombyx mori)köptes från ett inhemskt företag. Silkesmöndorna användes inom 10 dagar efter att de kom ut ur kokonger. Förbered tre vuxna silkesmössor för experimenten (sex antenner); Detta antal kan dock ändras beroende på försökskraven.
- Inkubera silkesägg vid 15 °C i 24 timmar och flytta dem till en inkubator vid 25 °C.
OBS: Silkesmaskarna kläcks cirka 10-13 dagar senare. - Placera silkesmaskarna på skivade konstgjorda dieter i en plasträtt.
- Efter 20-25 dagar av silkesmaskhöjning, observera bildandet och poppningen av silkesmaskarna i kokonger.
OBS: Odlingsförfarandet omfattar utfodring, avlägsnande och sanering i en miljö vid 25 °C. Silkesmödren kommer ut ur kokongerna efter 10-15 dagar.
2. Lukter och luktkälla beredning
OBS: Huvudkomponenten i den kvinnliga silkesmöde könsferomon, bombykol ((E,Z)-10,12-hexadecadien-1-ol), användes som luktkälla för att utföra stimulering. En manlig silkesmönsk (Figur 1A) kan identifiera och diskriminera bombykol27, och isolerade silkesmothantenner har använts för att fungera som biosensor på mobila robotar20,21,22. Förvara renad bombykol upplöst i hexan (10 mg/ml) i en högförslutad förvaringsflaska i kylskåp vid −30 °C.
- Sätt in en spruta i den högförslutna förvaringsflaskan och dra ut och injicera 2 ml 2000 ng/μL bombykol i en 10 ml injektionsflaska. Tillsätt sedan 8 ml hexan till samma flaska.
- Späd 400 ng/μL bombykol till 2 ng/μL bombykol med hexan i en 1 ml injektionsflaska.
- Skär filterpapper i 10 mm × 10 mm bitar, rulla dem till en cylindrisk form och placera dem i ett glasrör (innerdiameter [ID]: 5 mm; ytterdiameter [OD]: 7 mm; längd [L]: 100 mm).
- Släpp ett utspädt prov (100 ng bombykol upplöst i 50 μL hexan) på en del av filterpapperet i glasröret.
- Stäng glasrörets båda ändar med filterpapperet med polydroppar i mitten.
3. EAG-experiment på en fast skrivbordsyta
OBS: Den monteringsbara EAG-enheten, som fungerar som en bärbar biosensor på en liten drönare, visas i figur 1B. Enheten inkluderade högpassfilter (0,1 Hz) och lågpassfilter (300 Hz). Den detaljerade informationen om den elektriska kretsen beskrivs i Terutsuki etal.
- Utför datainsamling och analys på en persondator (PC) efter att EAG-enheten har skickat mätdata.
- För att generera renad luft, passera luftflödet som genereras av en kompakt luftpump med en kylfläkt genom bomull, aktiverade kolgranulat och destillerat vatten. Passera sedan den renade luften genom ett glasrör för stimulering.
OBS: Ett fotografi av luktstimuleringssystemet visas i figur 1C. Luftflödesvägen indikeras av svarta pilar. Luftflödesvägen för magnetventilens avgasport indikeras av den streckade svarta pilen. - Ställ in flödeshastigheten som 5 L min-1 med hjälp av en flödesmätare för luktstimulering i den fasta experimentella installationen. Ställ in ett högre flöde för generation, förutsatt luktstimuleringar på flera meter för drönarexperimenten.
OBS: Att flödeshastigheten (5 L min-1)inte påverkade signaldetekteringen av EAG-enheten hade tidigare bekräftats26. Den maximala luftflödeshastigheten vid EAG-enhetens läge under stimulering mättes som 3,9 ms -1 med hjälp av en anemometer. - Använd en magnetventil med en mikrokontroller för att stimulera EAG-enheten och genomföra stimuleringarna automatiskt.
- Ställ in stimuleringstiden på 0,5 s med magnetventilen.
- Använd elektriskt ledande gel för att fästa en silkesmönetennner på elektroden.
OBS: Denna procedur kräver inte att mikrometerskaliga ledningar sätts in i båda ändarna av en silkesmantenn för att fästa den på EAG-enheten.- Isolera silkesnatanener med hjälp av postmortemsax (Figur 2A, B) utan anestesi. Se figur 2C för en förstorad vy av antennen.
- Skär båda sidorna av den isolerade silkesmönetennen och fäst den på ag/agclbelagda elektroder på avkänningsdelen av EAG-enheten(figur 3A)med elektriskt ledande gel.
- Anslut glasröret som innehåller bombykol till luktstimuleringssystemet (se till att pumpen redan är påslagen).
- Fäst glasröret så att spetsen är 10 mm från silkesmörthantennen på EAG-enheten (Figur 3B).
- Ställ in frånluftsporten (diametern 60 mm) på 30 mm bakom EAG-anordningen för att stabilisera luftflödet och förhindra feromonstagnation (figur 3B).
- Slå på EAG-enheten. Anslut datorn till Wi-Fi-åtkomstpunkten.
- Kör datainsamlingsprogrammet på datorn. Se figur 3C för det grafiska användargränssnittet (GUI) på datorn för experimenten.
- När du har tryckt på jordknappen i loggmenyn för att bestämma experimentellt tillstånd trycker du på knappen Logga start för datainsamling. Fem sekunder efter att du tryckt på knappen Logga start, initiera luktstimuleringar.
- Tryck på knappen Logga stopp på gränssnittsgränssnittet för att stoppa inspelningen.
4. Drönare
OBS: En kommersiell drönarflygplattform (98 mm x 93 mm x 41 mm; vikt 87 g; maximal flygtid 13 min) användes i denna studie. Drönarens nyttolast var cirka 30 g baserat på experimenten. Drönaren var utrustad med ett visionpositioneringssystem (VPS) bestående av en kamera och en infraröd sensor under kroppen, vilket möjlige stabil hovring utan ett externt positioneringssystem.
- Ta bort drönarens övre lock och lägg till ett anpassat kolfiberförstärkt plastkort (CFRP) med hjälp av ett tredimensionellt (3D)-printat fäste för att fästa EAG-enheten. Se figur 4A för en bild av biohybriddrönaren.
DRONE-utvecklaren erbjuder ett mjukvaruutvecklingskit (SDK) och exempel python-program (se materialförteckningen); Därför baserades drönarkontrollprogrammet för flygexperiment på dessa. - Skicka flygkommandon via datorn för att styra drönaren.
OBS: För säkerhets skull krävs skärbeständiga handskar för att stoppa (fånga) drönaren i en nödavbrott. Gränssnittsgränssnittet är utrustat med en nödstoppsknapp för att omedelbart stoppa rotationen av drönarens propellrar (figur 3C).
5. Förberedelse av experimentellt område för flygning
- Förbered ett experimentellt flygområde (5,0 m x 3,2 m x 3,0 m) och utrusta det med en kommersiell övervakningskamera i taket.
- Ställ in luktstimuleringssystemets flödeshastighet som 5 L min-1 och stimuleringstiden till 0,5 s med hjälp av magnetventilen.
6. EAG-experiment på drönaren
- Isolera silkesnatanenen med hjälp av en sax efter döden och skär båda sidor av antennen.
- Fäst de isolerade antennerna på Ag/AgCl-belagda elektroder i avkänningsdelen av EAG-enheten med elektriskt ledande gel.
- Anslut glasröret som innehåller bombykol (50 000 ng i 250 μL hexan/filterpapper) till luktstimuleringssystemet (med pumpen redan påslagen).
- Ställ in glasröret så att röret och dess spets är parallella med respektive direkt ovanför skrivbordets kant.
- Ställ in cirkulationspumpen så att den mest utskjutande delen (mitten av fläkten) är 15 cm från skrivbordets kant.
- Ställ in cirkulationspumpens vindhastighet på 1 (minimal effekt) genom att trycka på knappen på konsolen.
- Montera EAG-enheten på drönaren. Anslut datorn till Wi-Fi-åtkomstpunkten. Slå på EAG-enheten och drönaren.
OBS: Växeln på EAG-enheten finns i bearbetningsdelen. - Kör drönarkontrollprogrammet på datorn.
- När lampan på drönaren blinkar gult trycker du på lämplig knapp i Kommando-menyn på datorns GUI(bild 3C)för att köra kommandot.
OBS: När drönaren är ansluten till datorn blir lampan på dronen grön. - Tryck på startknappen på gränssnittet för att hålla drönaren över marken.
- När du har tryckt på flygknappen i loggmenyn för att bestämma experimentellt tillstånd trycker du på knappen Logga start för datainsamling.
OBS: Luktstimulering kommer att initieras 5 s efter att ha tryckt på log start-knappen. - Tryck på knappen Logga stopp på gränssnittsgränssnittet för att stoppa inspelningen.
- Skicka stoppkommandot i intervaller på 5 s efter lyftningen av drönaren för att upprätthålla hovringstillståndet, eftersom drönaren automatiskt landar om den inte används i cirka 15 s.
- När lampan på drönaren blinkar gult trycker du på lämplig knapp i Kommando-menyn på datorns GUI(bild 3C)för att köra kommandot.
7. Sensorhölje
- Utveckla ett sensorhölje (L: 40 mm; ID: 20 mm; OD: 22 mm) baserat på ett kolfiberrör för att förbättra sensorns direkthet. Se figur 4B,C för en bild av biohybriddrönaren med sensorhölje och konfiguration.
- Täck avkänningsdelen med ett värmekrypande isoleringsrör och fäst den på höljets innervägg med dubbelsidig tejp.
- Sätt in avkänningsdelen av EAG-enheten i sensorhöljet.
- Ställ in avståndet mellan elektrodernas spets och höljets spets som 10 mm.
8. Luktspårningsdemonstration med hjälp av biohybridddrönaren
- Isolera silkesnatanenen med hjälp av en sax efter döden och skär båda sidor av antennen.
- Fäst den isolerade antennen på Ag/AgCl-belagda elektroder på avkänningsdelen av EAG-enheten med elektriskt ledande gel.
- Montera EAG-enheten med sensorhöljet på drönaren.
- Håll muspekaren så att den börjar en cirka 90° svängande rörelse till vänster och höger.
- Stimulera EAG-enheten på drönaren med polydroppar som innehåller bombykol under dessa rörelser.
- Utför fyra cykler av steg 8,5.
OBS: Efter steg 8.6 roterar drönaren medurs. När du utför stimuleringen under denna rörelse kommer dronen att utföra en moturs rotation och landa.
9. Lokalisering av luktkälla med hjälp av biohybridddrönaren
- Anslut glasröret som innehåller bombykol (50 000 ng i 250 μL hexan/filterpapper) till den pump som redan är påslagen.
- Fäst glasröret så att spetsen är 150 mm från cirkulationspumpen.
- Definiera riktningen mot luktkällan som 0°, och ställ in drönaren i en vinkel på medurs 270° från luktkällan vid startpunkten.
- Anslut datorn till Wi-Fi-åtkomstpunkten och slå på EAG-enheten och drönaren.
- Kör drönarkontrollprogrammet på datorn.
- När lampan på drönaren blinkar gult trycker du på lämplig knapp i Kommando-menyn på datorns GUI(bild 3C)för att köra kommandot.
OBS: När drönaren är ansluten till datorn blir lampan på dronen grön. - Tryck på startknappen på gränssnittet för att hålla drönaren över marken.
- När du har tryckt på sökknappen på loggmenyn för att bestämma experimentellt tillstånd trycker du på knappen Logga start för datainsamling. Tryck sedan på startknappen Sök i Kommando-menyn för att initiera lokalisering av luktkällan med hjälp av spiralvågsalgoritmen och cykliska luktstimuleringar (lukt: 0,5 s; intervall: 2,0 s) av luktkällan.
- När du har landat drönaren trycker du på knappen Logga stopp på GUI för att stoppa inspelningen.
- När lampan på drönaren blinkar gult trycker du på lämplig knapp i Kommando-menyn på datorns GUI(bild 3C)för att köra kommandot.
Representative Results
Detta dokument beskriver protokollen för signalmätningar med hjälp av den föreslagna EAG-enheten monterad på ett skrivbord och en drönare. Först utvärderade vi EAG-enhetens prestanda på ett skrivbord. En silkesmönnerantenn på EAG-enheten stimulerades av bombykol. Tjugofem kontinuerliga stimuleringar genomfördes med 100 ng bombykol upplöst i 50 μL hexan med intervaller på 5 s, som kontrolleras av en mikrokontroller. Resultaten visade att den föreslagna EAG-produkten svarade reproducerbart på stimuleringarna(figur 5).
Luktdetekteringsprestandan för EAG-enheten utvärderades därefter på drönaren. Drönaren utrustad med EAG-enheten svävade i höjd med 95 cm från golvet och på ett avstånd av 90 cm från luktkällan (Figur 6A). Genom att följa det förfarande som beskrivs i avsnitt 6 mättes signalerna från EAG-enheten på drönaren i förhållande till bombykol (50 000 ng i 250 μL hexan/filterpapper). Sensorprestandan hos en kommersiell gassensor på en drönare utvärderades för jämförelse. En digital gassensor med flera pixlar28 användes för att upptäcka etanolångor. Denna sensor kan användas för detektion av totala flyktiga organiska föreningar (TVOC).
Enligt databladet var TVOC-signalområdet för sensorn 0-60 000 ppb. Drönaren med gassensorns brytbräda svävade under samma förhållanden som EAG-enheten. Dessutom användes 500 μL etanol (99,5% renhet) som luktkälla istället för bombykol. De typiska signalerna från EAG-enheten och gassensorn på drönaren visas i figur 6B. Eftersom luktmolekylerna och sensorenheterna skilde sig åt i denna jämförelse kunde kvantitativa jämförelser inte utföras. De experimentella resultaten tyder dock på att det kan vara svårt för en drönare med en kommersiell gassensor att upptäcka luktmolekyler med snabb respons/ återhämtningshastighet. I synnerhet var återvinningstiden för gassensorn i denna studie betydligt högre än för EAG-enheten med silkesklathantenner.
Vi utvärderade också sensorns direkthet för EAG-enheten på drönaren. I denna studie definierades riktningen mot luktkällan som 0°, och dronen roterades medurs med 60° intervall för att utvärdera signalintensiteter i varje vinkel. För drönaren utan sensorhölje var signalintensiteten vid 180°, medan drönaren mot motsatt riktning från luktkällan, ibland högre än vid 0° (Figur 6C). För den drönare som var utrustad med höljet blev dock signalintensiteten för EAG vid 0° högre än vid 180° (figur 6D). Följaktligen förbättrade sensorhöljet sensorns direkthet för EAG-enheten på dronen.
En luktspårningsdemonstration genomfördes med hjälp av biohybriddrönaren med sensorhöljet. Resultaten visade att drönaren upptäckte bombykol i luften utanför en vindtunnel och identifierade luktplommonens riktning genom svängande rörelser (Figur 7, Kompletterande Video S1). Slutligen genomfördes lokalisering av luktkällan baserat på spiralvågsalgoritmen med hjälp av biohybridrönaren (Figur 8A). Drönaren sattes till 270° från luktkällan vid startpunkten. Efter att ha svävat började drönaren söka efter det maximala värdet av signalintensiteten under medurs eller moturs spiralrörelser. Sedan rörde sig drönaren framåt i riktning mot signalintensitetens maximala värde. Efter att ha upprepat luktsökande spiral- och överspänningsrörelser sex gånger landade drönaren på marken. Flödesschemat för spiralvågsalgoritmen beskrivs i Terutsuki etal.
Lokaliseringen av luktkällans bana, girvinklar och EAG presenteras i figur 8B-D. Figur 8D visar att detektionstiden, inklusive svars- och återställningstider för EAG-enheten på drönaren, var ungefär 1 s. Drönaren modifierade självständigt sin rörelse genom att söka efter maximal luktkoncentration under spiralrörelserna. Läsare kan se videor av luktkällans lokalisering av biohybridrönaren som beskrivs av Terutsuki et al.26.
Figur 1: Silkesmöde, EAG-apparat och luktstimuleringssystem. A)Bild av en manlig silkesmössa. (B) Bild av den monteringsbara EAG-enheten för en liten drönare. (C) Bild av luktstimuleringssystemet med luftflödesriktningar. Förkortning: EAG = elektroantennografi. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 2: Isolering av silkeslentantenn. A)Isolering av en silkeslentantenn med hjälp av en sax efter döden. (B) Typisk isolerad silkesmönenner. C)Utvidgad vy över en isolerad silkesmönnsantenn. skala bar = 0,5 mm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Bild 3: EAG-enheten har konfigurerats och GUI. a)Installation av en isolerad silkeslentantenn på EAG-anordningens elektroder med hjälp av gel. (B) Inställning för luktstimulering med EAG-enheten på skrivbordet. C)Gränssnitts- och gränssnittssnittet för experimenten. Förkortningar: EAG = elektroantennografi; GUI = grafiskt användargränssnitt. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 4:Biohybridrönare. (B)Biohybridddrönare med sensorhöljet. C)Konfiguration av biohybridddrönaren. Skalstänger (A, B) = 50 mm. Förkortning: CFRP = kolfiberförstärkt plast. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 5:EAG-enhetens typiska kontinuerliga svarsprofil på skrivbordet stimuleras av bombykol. Förkortning: EAG = elektroantennografi. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Figur 6:Experimentell miljö för biohybridrönaren och signalintensiteten hos EAG-enheten. B)Jämförelse mellan de typiska signalerna från EAG-enheten och den kommersiella gassensorn på drönaren. (C) EAG-anordningens typiska signalintensitet utan att sensorhöljet på drönaren utrustas i varje vinkel (N = 1). D)EAG-anordningens genomsnittliga signalintensitet med höljet på drönaren i varje vinkel (N = 3, enskilda provningar). Signalintensitetsenheten är V. C och D har modifierats från Terutsuki etal. Förkortningar: EAG = elektroantennografi; TVOC = totala flyktiga organiska föreningar. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Bild 7:Manuell luktstimulering för att demonstrera detektion och spårning av lukt i ett rum av biohybriddrönaren.
Bild 8:Lokalisering av luktkälla avbiohybriddrönaren. (B) Typisk flygbana,( C) girvinklar och (D) EAG-signalintensiteter under lokalisering av luktkällan med hjälp av spiralvågsalgoritmen. Dessa siffror är representativa resultat (N=1). A-D har modifierats från Terutsuki et al.26. Klicka här om du vill visa en större version av den här figuren.
Kompletterande video S1: Demonstration av manuell luktstimulering med hjälp av biohybriddrönaren. Klicka här för att ladda ner den här videon.
Discussion
Mobila robotar med EAG-enheter utvecklades först för 25 år sedanför 20. Sedan dess har det skett betydande framsteg inom robotteknik, inklusive drönare. Med tanke på dessa tekniska framsteg utvecklade vi en autonom biohybriddrönare med en EAG-enhet baserad på en silkesmönance antenn för luktdetektering och lokalisering i luft26. Denna studie visar hur den utvecklade biohybridrönaren fungerar och spårning av manuell stimulering av lukt i ett rum med hjälp av drönaren.
I denna studie, eftersom silkesnatanener var fästa vid elektroder med elektriskt ledande gel, verifierade vi att båda ändarna av varje antenn tog kontakt med elektroderna säkert innan vi började EAG-experiment på skrivbordet eller dronen. Om signaler från EAG-enheten plötsligt försvann under experimentet skulle en forskare först kontrollera antennens anslutning med elektroderna. Det är möjligt att detta problem uppstod med högre sannolikhet i EAG-experimenten på drönaren. Medan livslängden för isolerade silkesmothantenner är mer än en timme, eftersom gelén torkade ut på ett dussin till dussintals minuter i denna studie, kan tillsats av gel till antennernas anslutningspunkter och elektroderna hjälpa till att återställa signalintensiteterna.
Drönaren i denna studie var utrustad med VPS bestående av en kamera och en infraröd sensor för flygstabilisering. Vi fann att drönaren drev under hovring på ett jämnt golv, vilket kan ha orsakat instabiliteten hos en infraröd sensor under drönarens kropp. Samma problem uppstod ibland när experiment utfördes med denna drönare i ett rum med ett slätt golv som kakel. Därför täckte vi golvet med upphöjda mattor (vi använde fyrafärgade mattor på 45 cm × 45 cm) och minskade drönarens drift. Denna process befanns vara användbar för flygstabilisering av EAG-experimenten på drönaren.
Betydelsen av biohybriddrönaren i denna studie ligger i dess förmåga att känna igen luktkoncentration och dess sensoriska direktitet mot luktkällor. Drönaren identifierade skillnader i luktkoncentration i realtid utanför en vindtunnel och lokaliserade källan med hjälp av spiralvågsalgoritmen (Figur 8). Spiral-surgealgoritmen 29,30 kräver inte plume-plats information under plume reacquisition och uppvisar sin relativt höga tillförlitlighet, jämfört med gjutningsalgoritmen, i ett låghastighets laminärtflöde 30. Denna algoritm installerades tidigare på en markmobilrobot30; En vindriktningssensor krävdes dock för att känna igen motvindsriktningen. Luktinformationen var binariserad och koncentrationen ignorerades.
För den insektsantennbaserade drönaren är montering av ytterligare sensorer, såsom vindsensorer, en kompromiss mellan nyttolast och batteriförbrukning. Dessutom bedömdes luktinformation som EAG upptäckte på drönaren fortfarande för att avgöra om den överskred ett tröskelvärdepå 25. Den biohybriddddrönaredesign som användes i denna studie förbättrade direktiteten hos själva EAG-enheten och krävde ingen vindriktningssensor. Sensorns direkthet gjorde det möjligt för drönaren att använda luktkoncentrationsinformation under spiralrörelser i en rumsmiljö som var mer komplex än en vindtunnel. En cylindrisk inneslutning användes i denna studie. Ett mer genomarbetat och lätt hölje bör dock utvecklas i framtiden.
Den biohybriddrönare som undersökts i denna studie har dock vissa begränsningar. Till exempel var avståndet för luktkällans lokalisering fortfarande begränsat. På grund av deras höga rörlighet bör drönare kunna söka efter lukt över långa avstånd i storleksordningen flera tiotals meter. Avståndet som uppnåddes av den insektsantennbaserade biohybriddrönaren begränsades dock till 2 m26, och luktkälla lokaliseringstester utfördes i en vindtunnel med begränsat utrymme25. Att utöka sökavståndet är avgörande för utvecklingen av en praktisk luktdetekteringsflygplattform.
För långdistanssökningar (över 10 m) krävs en hög sensorisk direktivitet och en effektiv luktkälla lokaliseringsalgoritm, med tanke på att utspädning av luktkoncentrationen och komplex fördelning av luktplommon förväntas. Stereoavkänning med två antenner av samma insekt kan öka riktningen23. De flesta luktkällans lokaliseringsexperiment med små drönare med kommersiella gassensorer utfördes med hjälp av en enda sensor, och en EAG-enhetsmatris på drönare genomfördes inte. Därför måste en EAG-enhetsmatris utvecklas för små drönare för att öka deras luktavkänningsapplikationspotential. EAG-enhetsmatrisen skulle också underlätta utvecklingen av en effektiv luktkälla lokaliseringsalgoritm eftersom det möjliggör mer exakt lokalisering av en luktplym.
Insektsantennbaserade biohybridlutekerande drönare bidrar till både grundläggande och tillämpad forskning. Ur grundforskningens perspektiv kan sådana drönare användas som testplattformar för att utveckla luktkälla lokaliseringsalgoritmer. Olika algoritmer har tidigare föreslagits31; Testplattformar med hjälp av en mobil robot som utförde tvådimensionella luktsökningar eller kommersiella gassensorer har dock uppvisat begränsad prestanda. I dessa inställningar är det svårt för föreslagna algoritmer att visa sina prestanda. Biohybridddrönaren i denna studie visade luktkoncentrationsigenkänningsförmåga samt sensorns direkthet, känslighet och selektivitet. Därför visar det stort löfte för installation i mer avancerade eller tredimensionella luktkälla lokaliseringsalgoritmer.
När det gäller tillämpningar kan biohybriddrönare användas på uppdrag som levande djur kan ha svårt att närma sig, såsom att upptäcka giftiga kemiska/biologiska läckor, explosiva material och sök- och räddningsinsatser. För att tillämpa sådana drönare på dessa uppdrag måste insektsantennen upptäcka luktmolekyler som ingår i målluktkällor. Silkesmynnener kan genetiskt modifieras32 för att ha potential att upptäcka andra luktmolekyler än det kvinnliga silkmoth kön feromon; Dessa tillämpningar håller alltså nu på att bli verklighet.
Disclosures
Författarna har inga intressekonflikter att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes delvis av ett forskningsanslag från Murata Science Foundation. Författarna vill erkänna Smart Robotics Co, Ltd, Tokyo, Japan, för att hjälpa till med utvecklingen av drönarplattformarna och programmering och Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, för att hjälpa till med utformningen av de elektroniska kretsarna. Författarna vill också tacka Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) för att ha tillhandahållit renad bombykol; Takuya Nakajo (RCAST, Tokyos universitet) för stöd till silkesmothuppfödning; och Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) för att stödja förvärv av silkesbilder.
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).
