Fragen und Antworten:Smellicopter verwendet lebende Mottenantenne, um Gerüche aufzuspüren

Wer braucht einen Sensor vom Hersteller? Forscher der University of Washington haben ihre Drohne mit einem der besten Detektoren der Natur ausgestattet:einer Mottenantenne.

„Die Natur bläst unsere menschengemachten Geruchssensoren wirklich aus dem Wasser“, sagte UW-Doktorandin Melanie Anderson , leitender Forscher des als "Smellicopter" bekannten Luftfahrzeugs.

„Durch die Verwendung einer echten Mottenantenne mit Smellicopter können wir das Beste aus beiden Welten herausholen:die Empfindlichkeit eines biologischen Organismus auf einer Roboterplattform, auf der wir seine Bewegung steuern können.“

Die Live-Antenne reagiert auf chemische Signale und ermöglicht es dem fliegenden Fahrzeug, zu bestimmten Gerüchen zu navigieren. Das Team fügte den Antennensensor einem handelsüblichen Open-Source-Quadcopter hinzu Plattform, zusammen mit zwei hinteren Kunststoffflossen, um Luftwiderstand zu erzeugen und die Drohne gegen den Wind ausgerichtet zu halten.

Anderson und andere Forscher wandten sich der Manduca sexta zu Hawkmoths für ihre fliegende Roboterplattform, indem sie die Motten in einen Kühlschrank legen, um sie zu betäuben, bevor eine Antenne entfernt wird. Die einmal entnommene Antenne bleibt nach Angaben der UW-Erfinder bis zu vier Stunden lang aktiv, und dieser Zeitraum kann verlängert werden, wenn sie länger im Kühlschrank aufbewahrt wird.

Nachdem sie winzige Drähte an beiden Enden der Antenne hinzugefügt hatten, verbanden die Forscher den Anhang mit einem elektrischen Schaltkreis und maßen das durchschnittliche Signal von allen Zellen der Antenne. Die Smellicopter-Antenne nahm Blumendüfte und Ethanol schneller auf – und benötigte weniger Zeit zur Wiederherstellung – als ein von Menschen hergestellter Sensor, der von den Smellicopter-Ingenieuren getestet wurde.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 1. Oktober in der Zeitschrift IOP Bioinspiration &Biomimetics .

Der Smellicopter verwendet ein Protokoll, das als „Cast and Surge“ bekannt ist, um nachzuahmen, wie Motten bestimmte Gerüche finden. Die UW-Drohne startet links für eine bestimmte Distanz. Wird kein Geruch erkannt, bewegt sich der Kopter um die gleiche Strecke nach rechts. Sobald der Smellicopter einen Geruch wahrnimmt, ändert er sein Flugmuster und bewegt sich auf das interessierende Objekt zu.

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Eine Kamera und vier Infrarotsensoren führen das UAV und messen Hindernisse in der Nähe mit einer Geschwindigkeit von zehn Mal pro Sekunde. Wenn ein Objekt innerhalb von 8 Zoll vom Gerät erkannt wird, ändert die Drohne die Richtung, indem sie zur nächsten „Cast-and-Surge“-Stufe übergeht.

„Wenn also Smellicopter nach links geworfen hat und jetzt links ein Hindernis ist, wechselt er nach rechts“, sagte Anderson. „Und wenn Smellicopter einen Geruch riecht, sich aber ein Hindernis davor befindet, wird er weiter nach links oder rechts werfen, bis er in der Lage ist, vorwärts zu schießen, wenn kein Hindernis auf seinem Weg ist.“

Während Tests im UW-Forschungslabor wurde Smellicopter natürlich so eingestellt, dass er in Richtung von Gerüchen fliegt, die Motten interessant finden, wie zum Beispiel Blumendüfte. Die Forscher hoffen jedoch, dass die Mottenantenne in zukünftigen Arbeiten andere Gerüche wahrnehmen könnte, wie das Ausatmen von Kohlendioxid von jemandem, der unter Trümmern eingeschlossen ist, oder die chemische Signatur eines Blindgängers.

In einer kurzen Fragerunde unten erklärt Anderson mehr darüber, wie der Smellicopter funktioniert und wo er am besten funktioniert.

Technische Informationen :Was hat Sie dazu veranlasst, eine Live-Antenne zu verwenden? Ich stelle mir vor, dass dies im Vergleich zum üblichen Hinzufügen eines Sensors eine Art „out-of-the-box“-Idee war.

Melanie Anderson: Die Messung des elektrischen Signals einer Mottenantenne (ein Elektroantennogramm) wurde tatsächlich schon früher in der Forschung durchgeführt. Wir sind nur die Ersten, die das mit einer kleinen fliegenden Roboterplattform kombinieren! Die Mottenantenne ist um ein Vielfaches empfindlicher als jeder tragbare kommerzielle chemische Sensor. Darüber hinaus ist es leicht und hat einen geringen Stromverbrauch – perfekt für eine kleine Drohnenplattform.

Technische Informationen :Können Sie uns den Tag erklären, an dem Sie es zum ersten Mal getestet haben? Sie haben im UW-Video [oben in diesem Artikel gezeigt] erwähnt dass es sehr aufregend war und dass Sie nicht sicher waren, ob es funktionieren würde. Worüber haben Sie sich am meisten Sorgen gemacht und wie hat es Ihrer Meinung nach an diesem Tag funktioniert?

Melanie Anderson: Die Antenne erzeugt auch Signale als Reaktion auf Bewegung und Berührung (mechanischer Reiz) sowie Geruch. Es gab Bedenken, dass die Vibrationen der Rotoren und der zusätzliche Luftstrom, den die Rotoren über die Antenne liefern, es schwierig machen würden, Geruchserkennungen zu trennen. Aber die Reaktion auf Geruch ist viel stärker als die anderen Signale, und die Antenne funktioniert in unserem Setup auf der Drohne sehr gut.

Wir waren alle sehr aufgeregt, dass es an diesem Tag funktioniert hat! Es hat sich als sehr bestätigend erwiesen, dass unsere Bemühungen, die Schaltung zu entwickeln, die die Signale von der Antenne liest, und diese mit der Drohnenplattform kombiniert haben, um ein so aufregendes Ergebnis zu erzielen!

Technische Informationen :Die Antenne erfasst ein chemisches Signal – wie informiert das dann, wohin die Drohne fliegt? Folgt es nur einem starken Geruch? Kann es Gerüche irgendwie unterscheiden?

Melanie Anderson: So wie ein Herzmonitor das elektrische Signal des schlagenden Herzens anzeigt, erzeugt die Antenne auch diese pulsartigen elektrischen Signale, wenn sie Gerüche riecht. Wir können kleine Drähte in die Antenne einführen, um dieses Signal zu messen und die Impulse als Reaktion auf den Geruch zu sehen. Diese Impulse teilen der Drohne mit, wenn die Antenne etwas riecht. Derzeit reagiert die Antenne am stärksten auf Blumendüfte und Mottenpheromon, aber wir arbeiten daran, die Motte gentechnisch so zu manipulieren, dass sie für andere Düfte empfindlich ist und in Szenarien wie der Ortung von Bomben oder der Suche nach gefangenen Überlebenden bei einer Katastrophe eingesetzt werden kann .

Viele verschiedene Tiere, die Gerüche suchen, tun dies, indem sie sich auf die Windrichtung verlassen. Sie können sicher davon ausgehen, dass, wenn Sie Gerüche riechen, die Quelle dieses Geruchs gegen den Wind von Ihnen liegt, da der Geruch vom Wind getragen wird. Auf diese Weise reisen Sie, wenn Sie Geruch riechen, gegen den Wind, und wenn Sie diesen Geruch verlieren, reisen Sie gegen den Wind, bis Sie die Spur wieder aufnehmen. Die Drohne macht eine vereinfachte Version davon, bei der sie sich mit den Flossen auf der Rückseite der Drohne wie Wetterfahnen passiv gegen den Wind ausrichtet und dann nach vorne drängt, wenn sie auf Geruch trifft. Wenn es diesen Geruch nicht mehr riecht, wirft es nach links und rechts, bis es den Geruch wieder riecht.

Technische Informationen :Wie geht es für Sie und Ihr Team in Bezug auf diese Forschung weiter?

Melanie Anderson: Wir freuen uns sehr, an der gentechnischen Veränderung der Mottenantennen zu arbeiten, um den Smellicopter in einer Vielzahl von Szenarien nützlich zu machen. Für meine Doktorarbeit werde ich auch simulationsbasierte Suchmethoden erforschen, damit der Smellicopter effizient in verschiedenen Räumen, beispielsweise solchen mit Hindernissen, fliegen kann.

Technische Informationen :Welche Anwendung ist für Sie am spannendsten?

Melanie Anderson: Search-and-Rescue ist sehr spannend. Es ist eine Anwendung, bei der wir derzeit die Natur in Form von Spürhunden anstelle von künstlichen Geruchssensoren nutzen, um eingeschlossene Personen zu finden. Wenn wir stattdessen eine winzige Drohne oder einen Schwarm winziger Drohnen einsetzen könnten, um diese eingeschlossenen Personen zu finden, könnten wir sie schneller orten und die Suchhunde und Rettungskräfte aus dem Weg räumen.

Lesen Sie die Forschungsergebnisse des UW-Teams in der Zeitschrift IOP Bioinspiration &Biomimetics .

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