微型無人機用真正的飛蛾天線嗅出氣味

2021-06-10 16:29?來源 綜合

微型無人機用真正的飛蛾天線嗅出氣味

微型無人機用真正的飛蛾天線嗅出氣味，研究人員將活天線貼在無人機上，讓這臺機器擁有異常敏銳的嗅覺。這臺無人機叫“Smellicopter”。

是飛蛾，它是一架飛機，它是…… Smellicopter，一種小型無人機，可以通過機載飛蛾天線感知氣味。說真的，這就是科學(xué)家們對他們創(chuàng)造的真名，這是一個監(jiān)控從真正飛蛾的天線發(fā)出的電信號的系統(tǒng)，允許無人機鎖定氣味的來源并朝著它導(dǎo)航。而且，說真的，這有一個長期的目的：有一天讓無人機配備飛蛾觸角來嗅探炸彈等物體。

這一切都?xì)w功于鷹蛾Manduca sexta的犧牲，它和其他飛蛾一樣是一種極其敏感的嗅覺器。當(dāng)飛蛾聞到一種氣味時，比如花或潛在伴侶的氣味，氣味會與觸角內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，這些蛋白質(zhì)反過來激活專用于特定化學(xué)物質(zhì)的神經(jīng)元。這意味著天線正在產(chǎn)生研究人員可以利用的電信號。

為了制造一種類似飛蛾無人機的機器人，華盛頓大學(xué)的機械工程師梅蘭妮·安德森 (Melanie Anderson) 在移除其觸角之前，在冰箱中對一只鷹蛾進(jìn)行了冷麻醉。然后她將一根天線的兩端都切掉，并將每根都連接到一根連接電路的細(xì)線。“很像心臟監(jiān)測器，它測量心臟跳動時產(chǎn)生的電壓，我們測量天線聞到氣味時產(chǎn)生的電信號，”該雜志最近一篇論文的第一作者安德森說描述研究的生物靈感和仿生學(xué)。“非常相似的是，天線將產(chǎn)生這些尖峰狀脈沖以響應(yīng)氣味斑塊。”

將鉆機安裝在小型開源 Crazyflie 四旋翼飛行器上，您就擁有了一臺混合動物機器。分離的飛蛾天線可以持續(xù)存活長達(dá)四個小時，讓無人機有足夠的時間嗅出氣味。

安德森和她的同事更進(jìn)一步，對 Smellicopter 進(jìn)行了編程，使其能夠像真正的飛蛾一樣尋找氣味。如果您能聞到某種氣味，則很有可能是氣味源在您的上風(fēng)向。像飛蛾這樣的昆蟲也是如此，它們會做一種叫做側(cè)風(fēng)投射的事情，在這種情況下，它們鎖定可能是逆風(fēng)的源頭并朝它飛去，然后根據(jù)需要向左或向右移動身體以保持對氣味的瞄準(zhǔn)。安德森的團(tuán)隊訓(xùn)練 Smellicopter 做同樣的事情。“如果風(fēng)向改變，或者你飛得有點偏離航線，那么你就會失去氣味，”安德森說。“所以你施展側(cè)風(fēng)試圖恢復(fù)那條小徑。通過這種方式，Smellicopter 離氣味源越來越近。”

研究人員將其稱為“投射和涌動”算法：無人機向氣味移動——在實驗室中，他們使用了花化合物的混合物——如果它失去氣味就向左或向右大頭釘，然后一旦鎖定就向前沖再次。無人機還配備了激光傳感器，可以在它四處嗅探時檢測并避開障礙物。

它是否有效：研究人員發(fā)現(xiàn) Smellicopter 100% 的時間都能到達(dá)氣味的來源。這在很大程度上是由于飛蛾觸角的極端敏感性，它可以檢測到微小的氣味，不是百萬分之一或十億分之一，而是萬億分之一。飛蛾通過物理學(xué)進(jìn)一步提高了它的效率：當(dāng)它扇動翅膀時，它會在觸角上循環(huán)空氣，幫助采樣更多的氣味。在這里，研究人員也從大自然中汲取靈感，使用四旋翼飛行器的旋轉(zhuǎn)葉片在他們借來的天線上移動更多空氣。

當(dāng)然，目前人類可能對嗅出花朵的飛蛾無人機沒有太大用處，因此研究人員正在探索使用基因編輯的方法來創(chuàng)造具有觸角的飛蛾，這種飛蛾可以感知與炸彈相關(guān)的氣味。但是，這些科學(xué)蛾對人造材料的氣味是否可能像普通飛蛾對潛在配偶的信息素和花的氣味一樣敏感？也就是說，研究人員能否重新調(diào)整數(shù)億年來進(jìn)化為飛蛾完善的嗅覺？

“從理論上講，你可以獲得更高的靈敏度，”安德森說，“因為飛蛾的觸角可以感知各種不同的化學(xué)物質(zhì)，就像我們可以聞到各種不同的東西一樣。” 她的實驗室的想法是對飛蛾天線進(jìn)行基因工程，使其充滿與感知所需化學(xué)物質(zhì)有關(guān)的特定蛋白質(zhì)。這會將天線的力量集中在一種氣味上，而不是很多。

不過，目前 Smellicopter 的局限性之一是，雖然它們最多可以使用四個小時，但無實體的飛蛾觸角平均只能存活兩個小時。無人機的續(xù)航時間更短——一次充電最多 10 分鐘——因此電池壽命實際上是一個更大的問題。在儲存方面，研究人員發(fā)現(xiàn)天線在冷藏時可以使用一周，甚至更長時間。這不是很多時間，但“它比冠狀病毒疫苗更容易傳播和運輸，”華盛頓大學(xué)生物學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家、新論文的合著者托馬斯丹尼爾說。

也許未來的機器將利用人類工程學(xué)和進(jìn)化工程學(xué)的精華；畢竟，我們?nèi)祟愡€沒有發(fā)明一種氣味傳感器的靈敏度接近飛蛾的靈敏度。（雖然研究人員曾試圖制造一個能像狗一樣聞到氣味的機器人來檢測癌癥。）“我認(rèn)為這是一個強大的概念，”蘇黎世大學(xué)機器人專家 Antonio Loquercio 說，他研究無人機導(dǎo)航，但并未參與這項新工作。“大自然為我們提供了大量生物體的例子，它們的生命依賴于這種能力。這也可能對自動機器產(chǎn)生強烈影響——不僅僅是無人機——它們可以使用氣味來尋找地震后的幸存者，或者可以識別人造環(huán)境中的氣體泄漏。”

聽著，嗅探犬可以說是最好的工作犬，但它們有局限性。爬過瓦礫尋找地震幸存者是一項危險的工作，無論是對狗還是人類飼養(yǎng)員來說都是如此。飛蛾無人機可以更安全地導(dǎo)航危險的搜索場景。“此外，”安德森說，“無人機也能夠探索垂直空域，并且可以在大型工業(yè)設(shè)施中尋找氣體泄漏，狗可能難以導(dǎo)航或手持傳感器很難到達(dá)。”

所以，感謝你們，勇敢的飛蛾，你們的犧牲。愿您永遠(yuǎn)作為 Smellicopters 生活。

編輯： yujeu