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一种利用飞蛾活体天线寻找气味的避障无人机

IEEE电气电子工程师学会 2021-02-23 09:43 次阅读

很明显的可以看出,对机器人传感的研究一直是以人为中心的。我们中的大多数人在视觉上和3D中导航和体验世界,所以机器人往往被相机和激光雷达之类的东西所覆盖。触觉对我们来说很重要,就像声音一样,所以机器人在理解触觉和听觉信息方面也越来越好。

不过,对于味道呢?

在大多数情况下,嗅觉并不能为我们传递那么多的信息,因此,虽然它在机器人技术中并没有被完全忽略,但在大多数情况下,它肯定不是我们主要选择的感知方式。

嗅觉的部分问题在于,从技术的角度来看,我们没有一个好的方法来理解分析。这是一个长期的挑战,这就是为什么我们要么利用动物的优势,如狗,老鼠,秃鹫,和其他动物,作为我们的空气中化学物质的传感系统。但就长远来看,对于动物的研究还不足以完全解决问题。然而,在更好地制造化学传感器之前,利用生物学来研究是所能做的最好的方向之一。

老实说,关于无人机本身没什么好说的。这是一个名为CrazyFlie2.0的开源无人机项目,带有一些额外的现成传感器,用于避障和稳定。有趣的是一对被动鳍,使无人机一直指向风中,然后是被称为电子天线图的传感器。

研究团队开发出了Smellicopter:一种自主无人机,利用飞蛾的活体天线向气味导航。Smellicopter在空中飞行时还能感知并避开障碍物。"

飞蛾使用其天线来感知环境中的化学物质,并向食物来源或潜在的伴侣导航。飞蛾天线中的细胞放大了化学信号,一个气味分子可以触发很多细胞反应,这是一个超级高效和快速的过程。

研究团队使用Manduca sexta hawkmoth的天线制作Smellicopter。研究人员将蛾子放在冰箱里,在取出天线之前对它们进行麻醉。一旦与活蛾分离,天线就会在生物和化学上保持长达4小时的活性。研究人员表示,通过将天线存放在冰箱中,可以延长这个时间。

通过在天线的两端添加微小的电线,研究人员能够将其连接到电路上,并测量天线中所有细胞的平均信号。然后,该团队将其与普通的人类制造的传感器进行了比较,将两者放在风洞的一端,并飘出两种传感器都会反应的气味:花香和乙醇。天线的反应速度更快,在吸气之间恢复的时间更短。

为了创建Smellicopter,该团队将天线传感器添加到一个开源的手持式市售四翼无人机上,研究人员还在无人机的背面添加了两个塑料翅片,以产生阻力,帮助它不断朝向上风向。

Smellicopter不需要研究人员的任何帮助就能搜索气味。团队为无人机创建了一个 "投掷和激增 "协议,模仿飞蛾搜索气味的方式。Smellicopter通过向左移动特定距离开始搜索。如果没有任何东西通过特定的气味阈值,Smellicopter就会向右移动相同的距离。一旦检测到气味,它就会改变飞行模式,向气味飞去。

对于该研究,我们询问了相关研究人员 -- 西雅图华盛顿大学机械工程博士生Melanie Anderson,华盛顿大学生物学教授Thomas Daniel,威斯康星州机械工程的助理教授Sawyer Fuller。他们通过电子邮件向我们(作者,以下简称我)做了介绍,以及其他一些亟待解决的问题。

Q

IEEE Spectrum:先问一些重要的问题:是谁发明了“Smellicopter”?

Melanie Anderson:Tom Daniel创造了“Smellicopter”这个词。Another runner up was "OdorRotor"!

Q

总的来说,飞蛾的气味定位能力比机器人强多少?

Melanie Anderson:飞蛾在气味检测和气味定位方面非常出色,它们需要利用此能力来找到配偶和食物。它们的触角比任何便携式人造气味传感器都灵敏和专业。我们无法得知飞蛾到底是如何很好地寻找气味的,但是能够在飞行平台上拥有飞蛾的气味敏感性是朝着这个方向迈出的一大步。

Tom Daniel:我们的估计是,他们超过机器人传感至少三个数量级。

Q

嗅觉器的定位行为与真蛾相比如何?

Anderson:cast-and-surge气味搜索策略是我们认为飞蛾(和许多其他气味搜索动物)正在做的事情的简化版本。这是一种反应性策略,它依赖于这样一种知识:如果你察觉到气味,你可以假设气味的源头在你的上游某处。当你探测到气味时,你只需逆风移动,当你失去气味信号时,你就朝着横风方向投射,直到你重新获得信号为止。

Q

你能详细说明一下CRISPR有没有可能设计出飞蛾来检测特定的化学物质呢?

Anderson:CRISPR目前已经被用于修改蛾类的气味检测途径。这是我们未来的努力之一。

Sawyer Fuller:我们认为,使用飞蛾触角的优势之一,除了它的速度外,还在于它可以提供一条既具有高化学特异性又具有高灵敏度的途径。通过表达只有一个或几个化学传感器的优势,我们预计蛾类天线将只对这种化学物质产生强烈的反应。其他研究小组正在努力制造这种特殊、灵敏的化学探测器。化学传感是生物学在效率、体积小和灵敏度方面超过人造系统的一个领域。所以这就是为什么我们认为试图利用已经存在的生物机制的方法有一些优点。

Q

你提到用冰可以延长天线寿命几天-你认为这项技术在研究范围之外的可行性有多高?

Anderson:这种天线可以装在标准冰箱里的小瓶子里,也可以放在冰袋里,这样可以延长一周的寿命。另外,将天线连接到电路的过程是可教的技能。在研究背景之外,这绝对是可行的。

Q

考虑到传感器发展的轨迹,你认为这种生物传感器系统在多长时间内会优于传统的替代品?

Anderson:很难说未来会发生什么,但目前,飞蛾天线仍然是所有商用便携式传感器中的佼佼者。

Q

已经有一些关于控制论昆虫的实验;你的方法的优点和缺点是什么,相对于(比方说)把某种跟踪系统放在一只活的蛾子上?

Daniel:几年前我是一个网络昆虫小组的成员。这类研究的挑战在于,动物对试图操纵或控制它的行为有着自然的反应。

Anderson:虽然目前飞蛾比机器人更擅长跟踪气味,但无人机平台的优势在于我们可以控制它。我们可以告诉它将搜索限制在某个区域,并在完成搜索后返回。

Q

在你的实验中,你能告诉我们关于飞蛾的健康、快乐和总体状况吗?

Anderson:在取出天线之前,蛾子是被冷麻醉的。然后将它们冷冻起来,以便用于教学或其他研究工作。

原文标题:Smellicopter,一种利用飞蛾活体天线寻找气味的避障无人机

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原文标题:Smellicopter,一种利用飞蛾活体天线寻找气味的避障无人机

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CAT-RTD0012 螺纹式点传感 RTD 探头

看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0012...
发表于 12-16 07:00 16次 阅读
CAT-RTD0012 螺纹式点传感 RTD 探头

CAT-RTD0013 导管盒点传感 RTD 探头

看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0013...
发表于 12-16 07:00 19次 阅读
CAT-RTD0013 导管盒点传感 RTD 探头

CAT-RTD0014 空气传感 RTD 探头面板

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发表于 12-16 07:00 22次 阅读
CAT-RTD0014 空气传感 RTD 探头面板

CAT-RTD0015 壁挂式 RTD 温度传感器

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发表于 12-16 07:00 16次 阅读
CAT-RTD0015 壁挂式 RTD 温度传感器

CAT-RTD0016 室外空气传感 RTD 探头传感器

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发表于 12-16 07:00 19次 阅读
CAT-RTD0016 室外空气传感 RTD 探头传感器

CAT-RTD0017 暖通空调平均化 RTD 探头

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发表于 12-16 07:00 43次 阅读
CAT-RTD0017 暖通空调平均化 RTD 探头

CAT-RTD0018 带压缩配件的平均化 RTD 探头

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发表于 12-16 07:00 39次 阅读
CAT-RTD0018 带压缩配件的平均化 RTD 探头

CAT-RTD0019 双螺纹平均化 RTD 探头

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发表于 12-16 07:00 20次 阅读
CAT-RTD0019 双螺纹平均化 RTD 探头

CAT-RTD0020 12 MNPT 平均化 RTD 探头传感器

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发表于 12-16 07:00 39次 阅读
CAT-RTD0020 12 MNPT 平均化 RTD 探头传感器

CAT-RTD0021 带导管盒的平均化 RTD 探头

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发表于 12-16 07:00 25次 阅读
CAT-RTD0021 带导管盒的平均化 RTD 探头

CAT-RTD0023 带压缩配件的不锈钢 RTD 探头

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发表于 12-16 07:00 44次 阅读
CAT-RTD0023 带压缩配件的不锈钢 RTD 探头

CAT-RTD0024 不锈钢 RTD 与插头和插孔

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发表于 12-16 07:00 30次 阅读
CAT-RTD0024 不锈钢 RTD 与插头和插孔

CAT-RTD0026 SS 定长切割 RTD 探头传感器

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发表于 12-16 07:00 46次 阅读
CAT-RTD0026 SS 定长切割 RTD 探头传感器