Motten-inspirierte Antenne lässt Drohnen Gefahren detektieren und Überlebende in Katastrophengebieten orten

Ein Vorteil von Drohnen ist, dass sie Orte erreichen können, wo Menschen nicht hinkommen – einschließlich Bereiche, die zu gefährlich sein könnten, wie instabile Strukturen nach einer Naturkatastrophe oder Regionen mit unentdeckten Sprengsätzen.

Forscher interessieren sich für die Entwicklung von Geräten, die diese Situationen durch „Riechen“ von Chemikalien in der Luft navigieren können, um Katastrophenüberlebende, Gaslecks, Sprengstoffe und mehr zu orten. Die meisten Sensoren sind jedoch nicht sensibel oder schnell genug, um spezifische Gerüche zu finden und zu verarbeiten, während sie durch die unregelmäßigen Geruchsplumen fliegen, die diese Quellen erzeugen.

Ein Team hat Smellicopter entwickelt, eine autonome Drohne, die eine lebende Antenne einer Motte nutzt, um auf Gerüche zu navigieren. Sie kann auch Hindernisse wahrnehmen und vermeiden, während sie durch die Luft fliegt. Durch die Verwendung einer echten Mottenantenne konnten Forscher das Beste aus beiden Welten erhalten: die Sensitivität eines biologischen Organismus auf einer robotischen Plattform, auf der Bewegung kontrolliert werden kann.

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„Die Natur bläst unsere menschgemachten Geruchssensoren aus dem Wasser“, sagte UW-Doktorandin Melanie Anderson.

Die Motte nutzt ihre Antennen, um Chemikalien in ihrer Umgebung zu sensieren und auf Nahrungsquellen oder potenzielle Partner zuzufliegen. Das Team verwendete Antennen der Manduca sexta Tabakschwärmer für Smellicopter. Forscher legten Motten in den Kühlschrank, um sie zu betäuben, bevor sie eine Antenne entfernten. Einmal vom lebenden Motten getrennt, bleibt die Antenne biologisch und chemisch aktiv für bis zu vier Stunden. Dieser Zeitraum könnte durch Lagerung der Antennen im Kühlschrank verlängert werden.

Durch Hinzufügen winziger Drähte an beide Enden der Antenne konnten die Forscher sie an einen elektrischen Schaltkreis anschließen und das durchschnittliche Signal aller Zellen in der Antenne messen. Das Team verglich es dann mit einem typischen menschgemachten Sensor, indem es beide an einem Ende eines Windkanals platzierte und Düfte zuführte, auf die beide Sensoren reagieren würden: einen Blumenduft und Ethanol, eine Alkoholart. Die Antenne reagierte schneller und brauchte weniger Zeit, um sich zwischen den Stößen zu erholen.

Um Smellicopter zu erstellen, fügte das Team den Antennensensor zu einer Open-Source, handgehaltenen, kommerziell verfügbaren Quadcopter-Drohnenplattform hinzu, die es Nutzern erlaubt, spezielle Features hinzuzufügen. Die Forscher fügten auch zwei Kunststoffflossen an der Rückseite der Drohne hinzu, um Widerstand zu erzeugen, der hilft, sie ständig upwind zu orientieren.

Smellicopter benötigt keine Hilfe von Forschern, um nach Gerüchen zu suchen. Das Team erstellte ein „Cast-and-Surge“-Protokoll für die Drohne, das nachahmt, wie Motten nach Gerüchen suchen. Smellicopter beginnt seine Suche, indem es sich für eine bestimmte Distanz nach links bewegt. Wenn nichts einen bestimmten Geruchsschwellenwert überschreitet, bewegt sich Smellicopter dann für die gleiche Distanz nach rechts. Sobald es einen Geruch detektiert, ändert es sein Flugmuster, um darauf zuzuschießen.

Ein weiterer Vorteil von Smellicopter ist, dass es kein GPS benötigt. Stattdessen nutzt es eine Kamera, um seine Umgebung zu erfassen, ähnlich wie Insekten ihre Augen nutzen. Dies macht Smellicopter gut geeignet für die Erkundung von Innenräumen oder unterirdischen Räumen wie Minen oder Rohren.

Während Labortests war Smellicopter natürlich darauf abgestimmt, auf Gerüche zuzufliegen, die Motten interessant finden, wie Blumendüfte. Aber Forscher hoffen, dass zukünftige Arbeiten die Mottenantenne andere Gerüche sensieren lassen könnten, wie das Ausatmen von Kohlendioxid von jemandem, der unter Trümmern gefangen ist, oder die chemische Signatur eines unentdeckten Sprengsatzes.