Smellicopter-Drohne nutzt Mottenantenne zur Geruchserkennung – übertrifft menschgemachte Sensoren

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

„Die Natur bläst unsere menschgemachten Geruchssensoren aus dem Wasser“, sagte UW-Doktorandin Melanie Anderson hier, Leitforscherin des Luftfahrzeugs, bekannt als „Smellicopter“.

„Durch die Nutzung einer echten Mottenantenne mit Smellicopter erhalten wir das Beste aus beiden Welten: die Empfindlichkeit eines biologischen Organismus auf einer robotischen Plattform, wo wir seine Bewegung steuern können.“

Die lebende Antenne reagiert auf chemische Signale, was dem Fluggerät ermöglicht, auf spezifische Gerüche zuzusteuern. Das Team fügte den Antennensensor zu einer Open-Source-Handheld-kommerziell verfügbaren Quadcopter-Plattform hier hinzu, zusammen mit zwei hinteren Kunststoffflossen, um Widerstand zu erzeugen und die Drohne gegen den Wind orientiert zu halten.

Anderson und Kollegen wandten sich Manduca sexta Tabakschwärmern für ihre fliegende Roboterplattform zu, indem sie die Motten in einen Kühlschrank legten, um sie zu betäuben, bevor sie eine Antenne entfernten. Die Antenne, einmal entnommen, bleibt bis zu vier Stunden aktiv, und dieser Zeitraum kann verlängert werden, wenn sie länger im Kühlschrank gelagert wird, so die UW-Erfinder.

Nach dem Einführen winziger Drähte in beide Enden der Antenne schlossen die Forscher den Anhang an einen elektrischen Schaltkreis an und maßen das durchschnittliche Signal aller Antennenzellen. Die Smellicopter-Antenne nahm Blumendüfte und Ethanol schneller wahr – und brauchte weniger Zeit zur Erholung – als ein menschgemachter Sensor, der von den Smellicopter-Ingenieuren getestet wurde.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 1. Oktober im Journal IOP Bioinspiration & Biomimetics hier.

Der Smellicopter nutzt ein Protokoll namens „Cast and Surge“, um nachzuahmen, wie Motten spezifische Gerüche finden. Die UW-Drohne startet links für eine bestimmte Distanz. Wenn kein Geruch detektiert wird, bewegt sich der Copter für die gleiche Distanz nach rechts. Sobald der Smellicopter einen Geruch detektiert, ändert er sein Flugmuster und bewegt sich auf das Objekt der Interesse zu.

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Eine Kamera und vier Infrarotsensoren leiten den UAV, messen nahe Hindernisse mit einer Rate von zehn Mal pro Sekunde. Wenn ein Objekt innerhalb von 8 Zoll des Geräts erkannt wird, ändert die Drohne die Richtung, indem sie zur nächsten „Cast-and-Surge“-Phase geht.

„Also wenn Smellicopter nach links castet und jetzt ein Hindernis links ist, wechselt es zu rechts casten“, sagte Anderson. „Und wenn Smellicopter einen Geruch riecht, aber ein Hindernis vor sich hat, wird es weiter links oder rechts casten, bis es surgen kann, wenn kein Hindernis im Weg ist.“

Während Tests im UW-Forschungslabor war Smellicopter natürlich darauf abgestimmt, auf Gerüche zu fliegen, die Motten interessant finden, wie Blumendüfte. Aber Forscher hoffen, dass zukünftige Arbeit die Mottenantenne andere Gerüche wahrnehmen lassen könnte, wie das Ausatmen von Kohlendioxid von jemandem, der unter Trümmern gefangen ist, oder die chemische Signatur eines ungesprengten Sprengsatzes.

In einem kurzen Q&A unten erklärt Anderson mehr darüber, wie der Smellicopter funktioniert und wo er am besten funktioniert.

Tech Briefs: Was inspirierte die Wahl einer lebenden Antenne? Ich stelle mir vor, das war eine Art „Out-of-the-Box“-Idee im Vergleich zum üblichen Hinzufügen eines Sensors.

Melanie Anderson: Die Messung des elektrischen Signals einer Mottenantenne (ein Electroantennogram) wurde in der Forschung bereits zuvor durchgeführt. Wir sind einfach die Ersten, die das mit einer kleinen fliegenden Roboterplattform kombiniert haben! Die Mottenantenne ist um ein Vielfaches empfindlicher als jeder tragbare kommerzielle Chemiesensor. Zudem ist sie leicht und stromsparend – perfekt für eine kleine Drohnenplattform.

Tech Briefs: Können Sie uns durch den Tag führen, an dem Sie es zum ersten Mal testeten? Sie erwähnten im UW-Video [oben in diesem Artikel gezeigt], dass es sehr aufregend war und Sie nicht sicher waren, ob es funktionieren würde. Worüber waren Sie am meisten besorgt, und wie fanden Sie die Leistung an jenem Tag?

Melanie Anderson: Die Antenne produziert 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 herauszufiltern. Aber die Reaktion auf Geruch ist viel stärker als die anderen Signale, und die Antenne funktioniert in unserem Setup auf der Drohne extrem gut.

Wir waren alle sehr aufgeregt, dass es an jenem Tag funktionierte! Es fühlte sich sehr bestätigend an, dass unsere Bemühungen, den Schaltkreis zu erstellen, der die Signale von der Antenne liest, und diesen mit der Drohnenplattform zu kombinieren, zu einem so aufregenden Ergebnis führten!

Tech Briefs: Die Antenne spürt ein chemisches Signal – wie informiert das dann, wohin die Drohne fliegt? Folgt sie einfach einem starken Geruch? Kann sie irgendwie zwischen Gerüchen unterscheiden?

Melanie Anderson: Wie ein Herzmonitor das elektrische Signal des Herzens zeigt, wenn es schlägt, produziert die Antenne auch diese pulsartigen elektrischen Signale, wenn sie Geruch wahrnimmt. Wir können kleine Drähte in die Antenne einführen, um dieses Signal zu messen und die Pulse als Reaktion auf Geruch zu sehen. Diese Pulse informieren die Drohne darüber, wann die Antenne etwas riecht. Für den Moment reagiert die Antenne am stärksten auf Blumenduft und Mottenpheromone, aber wir arbeiten daran, die Motte genetisch so zu verändern, dass sie für andere Düfte empfindlich wird und in Szenarien wie Bombenortung oder das Auffinden eingeschlossener Überlebender in Katastrophen eingesetzt werden kann.

Viele verschiedene Tiere, die Gerüche suchen, tun dies, indem sie sich auf die Windrichtung verlassen. Man kann sicher annehmen, dass wenn man Geruch riecht, die Quelle dieses Geruchs upwind von einem liegt, da der Geruch vom Wind getragen wird. Auf diese Weise, wenn man Geruch riecht, reist man upwind, und wenn man den Geruch verliert, reist man crosswind, bis man die Spur wieder aufnimmt. Die Drohne macht eine vereinfachte Version davon, wo sie passiv upwind orientiert, indem sie die Flossen auf der Rückseite der Drohne wie Wetterfahnen nutzt, und dann vorwärts surgt, wenn sie Geruch trifft. Wenn sie den Geruch nicht mehr riecht, castet sie links und rechts, bis sie den Geruch wieder riecht.

Tech Briefs: Was kommt als Nächstes für Sie und Ihr Team bezüglich dieser Forschung?

Melanie Anderson: Wir sind sehr aufgeregt, an der genetischen Veränderung der Mottenantennen zu arbeiten, um den Smellicopter für eine Vielzahl von Szenarien nützlich zu machen. Für meine Doktorarbeit werde ich auch simulationsbasierte Suchmethoden erforschen, damit der Smellicopter effizient in verschiedenen Räumen fliegen kann, wie solchen mit Hindernissen.

Tech Briefs: Welche Anwendung ist für Sie am aufregendsten?

Melanie Anderson: Search-and-Rescue ist sehr aufregend. Es ist eine Anwendung, wo wir derzeit Natur in Form von Spürhunden statt menschgemachter Geruchssensoren nutzen, um eingeschlossene Personen zu finden. Wenn wir in der Lage wären, eine winzige Drohne oder einen Schwarm winziger Drohnen zu nutzen, um diese eingeschlossenen Personen zu finden, könnten wir sie schneller lokalisieren und Suchhunde und Rettungskräfte aus der Gefahrenzone halten.

Lesen Sie die Forschung des UW-Teams im Journal IOP Bioinspiration & Biomimetics hier.

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