מחקר זה מציג פרוטוקולים ניסיוניים עבור מזל”ט גילוי ריח ביו-היברידי המבוסס על אנטנות משי. הפעלת מכשיר אלקטרואנטנוגרם ניסיוני עם אנטנות משי מוצגת, בנוסף למבנה של מזל”ט ביו-היברידי המיועד לוקליזציה של מקור ריח באמצעות אלגוריתם נחשול הספירלה.
מזל”טים קטנים עם מכשירים כימיים או ביו-סנסוריים שיכולים לזהות מולקולות ריח מוטסות משכו תשומת לב רבה בשל תחולתם בפעולות ניטור וחילוץ והצלה סביבתיות וביטחוניות. רחפנים קטנים עם חיישני גז מסחריים של תחמוצת מתכת (MOX) פותחו עבור לוקליזציה של מקור ריח; עם זאת, הביצועים שלהם לזיהוי ריח בזמן אמת הוכחו כבלתי מספקים. עם זאת, טכנולוגיות רגישות ביולוגית המבוססות על מערכות ריח חרקים מפגינים רגישות גבוהה יחסית, סלקטיביות ותגובה בזמן אמת ביחס למולקולות ריח בהשוואה ליחישני גז MOX מסחריים. במכשירים כאלה, אנטנות חרקים מובאות מתפקדות כאלמנטים ביו-סנסור ריח ניידים ונמצאו כמספקות ביצועי חישה מעולים. מחקר זה מציג פרוטוקולים ניסיוניים לזיהוי מולקולות ריח באוויר באמצעות רחפן ביו-היברידי אוטונומי קטן המבוסס על מכשיר אלקטרואנטנוגרפיה (EAG) הניתן להרכבה המשלב אנטנות משי.
פיתחנו התקן EAG ניתן להרכבה כולל חלקי חישה/עיבוד עם מודול Wi-Fi. המכשיר צויד במארז חיישנים פשוט כדי לשפר את הישירות של החיישן. לפיכך, לוקליזציה של מקור ריח נערכה באמצעות אלגוריתם נחשול הספירלה, שאינו מניח כיוון רוח. הרחפן הניסיוני לזיהוי ריחות ביו-היברידיים זיהה הבדלי ריכוז ריח בזמן אמת בסביבה פסאודו-פתוחה (מחוץ למנהרת רוח) והפך את המקור ללוקלי. הרחפן המפותח והמערכת הנלווית יכולים לשמש ככלי יעיל לזיהוי מולקולות ריח ופלטפורמת טיסה מתאימה לפיתוח אלגוריתמים של לוקליזציה של מקורות ריח בשל יכולת התכנות הגבוהה שלו.
עם ההתקדמות האחרונה, רחפנים קטנים עם התקני חישה כימית הפכו ישימים מאוד בניטור סביבתי וביטחוני וזיהוי דליפת גז1. רחפנים קטנים (בקוטר של כ-<-20 ס"מ) עם חיישני גז מסחריים של תחמוצת מתכת (MOX) הוחלו לאחרונה על ביצוע מיפוי ריחות או לוקליזציה של מקור ריח2,3,4. בעת חיפוש מקורות ריח, מזל”ט חייב לעקוב אחר נוצות ריח; עם זאת, לוקליזציה מקור ריח באמצעות מזל”טים קטנים מציב אתגרים משמעותיים. בסביבה פתוחה, מבנים פלומת ריח נתונים לשינויים מתמשכים בשל גורמים סביבתיים כגון הרוח או הנוף. לפיכך, מזל”טים צריכים להיות מסוגלים לזהות הבדלים בריכוז ריח וכיוונים המשתנים לאורך זמן; עם זאת, ביצועי זיהוי הריח של חיישני MOX מסחריים עדיין לא מספיקים לחישה בזמן אמת בגלל זמן ההתאוששות האיטי שלהם5.
מערכות ביו-היברידיות שנוצרו על ידי מיזוג מערכות ביולוגיות ומלאכותיות הן מגמה עדכנית בטכנולוגיות רובוטיקה וחיישנים6, המציגות פוטנציאל גדול להתעלות על היכולות של גישות קיימות. לדוגמה, רשת חיישנים ביו-רובוטית פותחה על בסיס ג’וקים ליישום במצבי אסון7. ניסויים נערכו שבו חולדות cyborg עם אינטליגנציה משופרת חישובית הוטלו עם פתרון מבוכים8. האפשרות של שילוב חברתי של רובוטים ביומימטיים לקבוצות של דגי זברה אמיתיים נחקרה9.
באופן טבעי, מגמה זו יושמה לפתח חיישני ריח10. לדוגמה, biosensors המבוססים על מערכות ריח חרקים יש רגישות גבוהה יחסית סלקטיביות ביחס למולקולות ריח שונות לעומת חיישני MOX קיימים11. לאורך קווים אלה, פיתחנו בעבר מערכות ביו-היברידיות של ריחות ביולוגיות המבוססות על שילוב של תאי חרקים המבטאים קולטני ריח חרקים ומיקרוסקופ או מכשירים אלקטרוניים12,13,14,15,16. יתר על כן, אנטנות חרקים יכולות לשמש באופן עצמאי כחלקי חישת ריח ניידים עם רגישות גבוהה, סלקטיביות, רבייה וזמן תגובה / התאוששות מהירה, באמצעות טכניקת אלקטרואנטנוגרפיה (EAG)17,18,19. מספר רובוטים חישת ריחות קרקעיים בטכניקות EAG המבוססות על אנטנות חרקים20,21,22,23 או רחפנים קטנים עם התקני EAG24,25 פותחו לאיתור ריח ולוביליזציה של מקור ריח. רובוטים אלה הציגו רגישות חיישנים ויכולת חישה בזמן אמת. עם זאת, הניידות של רובוטים ניידים קרקעיים מושפעת באופן משמעותי על ידי תכונות יבשתיות או מכשולים. בנוסף, ביצועי הטיסה ואלגוריתמי לוקליזציה של מקור ריח של רחפנים ביו-היברידיים קיימים מבוססי EAG נשארים מוגבלים מכיוון שהתנאי הניסוי הוגבלו לטיסהקשורה 24 או להתבצע במנהרת רוח קטנה25.
מחקר זה מציג פרוטוקולים ניסיוניים לגילוי ריחות באזורי לוקליזציה של מקור אוויר וריח באמצעות מזל”ט ביו-היברידי שפותח לאחרונה המבוסס על אנטנות משי(Bombyx mori)26. פיתחנו התקן EAG בגודל הרכבה וקל משקל עם פונקציית תקשורת אלחוטית כדי לזהות את תגובות הריח של אנטנות משי. התקן EAG הותקן על רחפן קטן, מותקן במארז חיישנים פשוט כדי לשפר את כיוון החיישן למולקולות ריח ולהפחית רעש. הרחפן הביו-היברידי זיהה באופן רב מולקולות ריח מוטסות וזיהה את ריכוז הריח המרבי במהלך תנועות ספירליות. יתר על כן, המזל”ט לוקליזציה מקור הריח באמצעות אלגוריתם נחשול ספירלה ללא מידע כיוון רוח.
רובוטים ניידים עם מכשירי EAG פותחו לראשונה לפני 25שנה. מאז חלה התקדמות משמעותית בטכנולוגיות רובוטיות, כולל רחפנים. בהתחשב בהתפתחויות הטכנולוגיות הללו, פיתחנו רחפן ביו-היברידי אוטונומי עם מכשיר EAG המבוסס על אנטנת משי לגילוי ריח ולוקליזציה באוויר26. מחקר זה מדגים את פעולתו של הרחפן הביו-היברידי המפותח ואת המעקב אחר גירוי ידני של ריחות בחדר באמצעות הרחפן.
במחקר זה, כאשר אנטנות משי חוברו לאלקטרודות באמצעות ג’ל מוליך חשמלי, אימתנו כי שני קצות כל אנטנה יצרו קשר עם האלקטרודות בצורה מאובטחת לפני תחילת ניסויי EAG על השולחן או המזל”ט. אם אותות ממכשיר EAG אבדו לפתע במהלך הניסוי, חוקר היה בודק תחילה את חיבור האנטנה עם האלקטרודות. ייתכן כי בעיה זו התרחשה עם הסתברות גבוהה יותר בניסויי EAG על המזל”ט. בעוד תוחלת החיים של אנטנות משי מבודדות היא יותר משעה, כי הג’ל התייבש בתוך תריסר עד עשרות דקות במחקר זה, תוספת של ג’ל לנקודות החיבור של האנטנות והאלקטרודות עשוי לעזור לשחזר את עוצמת האות.
הרחפן במחקר זה צויד ב-VPS הכולל מצלמה וחיישן אינפרא אדום לייצוב הטיסה. גילינו שהמזל”ט נסחף במהלך ריחוף על רצפה חלקה, מה שאולי גרם לחוסר היציבות של חיישן אינפרא אדום מתחת לגופו של המזל”ט. אותה בעיה התעוררה לעתים כאשר ניסויים נערכו באמצעות מזל”ט זה בחדר עם רצפה חלקה כגון אריחים. לכן, כיסינו את הרצפה בשטיחים מוגבהים (השתמשנו בשטיחים בארבעה צבעים של 45 ס”מ × 45 ס”מ) והפחתנו את הסחף של הרחפן. תהליך זה נמצא שימושי לייצוב הטיסה של ניסויי EAG על המזל”ט.
המשמעות של הרחפן הביו-היברידי במחקר זה טמונה ביכולתו לזהות ריכוז ריחות וכיוון החיישן שלו כלפי מקורות ריח. הרחפן זיהה הבדלי ריכוז ריח בזמן אמת מחוץ למנהרת רוח והפך את המקור ללוקלי באמצעות אלגוריתם נחשול הספירלה(איור 8). אלגוריתם נחשול הספירלה29,30 אינו דורש מידע מיקום פלומה במהלך reacquisition פלומה ומציג את האמינות הגבוהה יחסית שלה, לעומת זה של אלגוריתם הליהוק, בזרימה למינאר במהירות נמוכה30. אלגוריתם זה הותקן בעבר על רובוט נייד קרקע30; עם זאת, נדרש חיישן כיוון רוח כדי לזהות את כיוון הרוח. מידע הריח היה binarized, וריכוז התעלם.
עבור הרחפן מבוסס אנטנת החרקים, הרכבת חיישנים נוספים, כגון חיישני רוח, היא החלפה בין מטען לצריכת סוללה. בנוסף, מידע ריח שאותר על ידי EAG על המזל”ט עדיין נבדק כדי לקבוע אם זה חרגסף 25. תכנון הרחפן הביו-היברידי המשמש במחקר זה שיפר את הכיוון של מכשיר EAG עצמו ולא דרש חיישן כיוון רוח. הנחיה החיישן אפשרה לרחפן להשתמש במידע ריכוז ריחות במהלך תנועות ספירליות בסביבת חדר שהייתה מורכבת יותר ממנהרת רוח. מארז גלילי שימש במחקר זה; עם זאת, יש לפתח בעתיד מארז משוכלל וקל משקל יותר.
עם זאת, לרחפן הביו-היברידי שנבדק במחקר זה יש כמה מגבלות. לדוגמה, המרחק של לוקליזציה של מקור ריח עדיין היה מוגבל. בשל הניידות הגבוהה שלהם, מזל”טים צריכים להיות מסוגלים לחפש ריחות למרחקים ארוכים בסדר של כמה עשרות מטרים. עם זאת, המרחק שהושג על ידי אנטנת החרק מבוסס אנטנת ביו-היברידית רחפן הוגבל ל 2 מ’26, ובדיקות לוקליזציה מקור ריח נערכו במנהרת רוח עם שטח מוגבל25. הרחבת מרחק החיפוש חיונית לפיתוח פלטפורמת טיסה מעשית לזיהוי ריחות.
לחיפושים למרחקים ארוכים (מעל 10 מ’), נדרשת הנחיית חיישן גבוהה ואלגוריתם לוקליזציה יעיל של מקור ריח, בהתחשב בכך שצפוי דילול ריכוז הריח והפצה המורכבת של פלומת הריח. חישת סטריאו באמצעות שתי אנטנות של אותו חרק יכולה להגביר את הכיווניות23. רוב ניסויי לוקליזציה של מקורות ריח באמצעות רחפנים קטנים עם חיישני גז מסחריים נערכו באמצעות חיישן יחיד, ומערך התקן EAG על רחפנים לא נערך. לכן, יש לפתח מערך מכשירי EAG עבור מזל”טים קטנים כדי להגדיל את פוטנציאל יישום חישת הריח שלהם. מערך המכשירים EAG גם יקל על פיתוח אלגוריתם לוקליזציה יעיל של מקור ריח מכיוון שהוא מאפשר לוקליזציה מדויקת יותר של פלומת ריח.
רחפנים מבוססי אנטנת חרקים לזיהוי ריחות ביו-היברידיים תורמים למחקר בסיסי ויישומתי כאחד. מנקודת המבט של מחקר בסיסי, רחפנים כאלה יכולים לשמש פלטפורמות בדיקה לפתח אלגוריתמים לוקליזציה של מקור ריח. אלגוריתמים שונים הוצעו בעבר31; עם זאת, פלטפורמות בדיקה באמצעות רובוט נייד שערך חיפושי ריח דו-ממדיים או חיישני גז מסחריים הציגו ביצועים מוגבלים. בכיוונונים אלה, קשה לאלגוריתמים מוצעים להדגים את הביצועים שלהם. הרחפן הביו-היברידי במחקר זה הפגין יכולת זיהוי ריכוז ריחות וכן את הישירות, הרגישות והסלקטיביות של החיישן. לכן, הוא מראה הבטחה גדולה להתקנה באלגוריתמים מתקדמים יותר או תלת ממדיים של לוקליזציה של מקור ריח.
במונחים של יישומים, ניתן לפרוס רחפנים ביו-היברידיים במשימות שבעלי חיים עלולים להתקשות להתקרב אליהן, כגון איתור דליפות כימיות/ביולוגיות רעילות, חומרי נפץ ופעולות חיפוש והצלה. כדי ליישם מזל”טים כאלה למשימות אלה, אנטנות החרקים צריכות לזהות מולקולות ריח הכלולות במקורות ריח היעד. אנטנות Silkmoth יכול להיות מהונדס גנטית32 יש פוטנציאל לזהות מולקולות ריח מלבד פרומון מין silkmoth הנשי; לפיכך, יישומים אלה הופכים כעת למציאות.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי מענק מחקר מקרן המדע מוראטה. המחברים מבקשים להכיר חכם Robotics ושות’, בע”מ, טוקיו, יפן, על סיוע בפיתוח פלטפורמות מזל”ט ותכנות וסייע טכנולוגיה ושות’, בע”מ, אוסקה, יפן, לסיוע בעיצוב המעגלים האלקטרוניים. המחברים רוצים גם להודות לד”ר שיגרו מטסויאמה (בית הספר לתארים מתקדמים למדעי החיים והסביבה, אוניברסיטת צוקובה) על אספקת בומביקול מטוהר; מר טאקויה נקאג’ו (RCAST, אוניברסיטת טוקיו) לתמיכה ברביית משי; ומר יוסוקה נוטומי (בית הספר לתארים מתקדמים למדע וטכנולוגיה, אוניברסיטת טוקיו למדע) לתמיכה ברכישת תמונות משי.
Anemometer | MK Scientific, Kanagawa, Japan | DT-8880 | |
Circulator | IRIS OHYAMA Inc., Miyagi, Japan | PCF-SC15T | |
Compact air pump | AS ONE Corporation, Osaka, Japan | NUP-1 | |
Drone | Shenzhen Ryze Tech Co., Ltd. | Tello EDU | Ryze Tech opens Tello EDU SDK. Our source code is based on SDK 2.0 Use Guide. https://dl-cdn.ryzerobotics.com/downloads/Tello/Tello%20SDK%202.0%20User%20Guide.pdf You can download python code (Tello3.py.) and develop flight programs. |
EAG device | Custom made | The EAG device has custom software to measure signals and communicate with the PC. | |
Electrically conductive gel | Parker Laboratories, NJ, USA | Spectra 360 | |
Ethanol | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japan | 057-00456 | |
Flowmeter | KOFLOC, Kyoto, Japan | RK1600R-12-B-Air-20 | |
Gas sensor | Sensirion AG, Stäfa, Switzerland | SGP30 | SGP30 breakout board can be used. You can refer the Adafruit_SGP30 github library. https://github.com/adafruit/Adafruit_SGP30 |
High-sealed storage bottle | FUJIFILM Wako Pure Chemical Corporation, Ltd., Osaka, Japan | 290-35731 | |
Microcontroller | M5Stack, Shenzhen, China | M5StickC | |
Purebred silkworm diet | Nosan Corporation Life Tech Department, Kanagawa, Japan | Sausage type | |
Silkmoth | Ueda-sansyu, Nagano, Japan | a hybrid strain of Kinshu × Showa | |
Solenoid valve | Takasago Electric, Inc., Nagoya, Japan | YDV-3-1/8 | |
Wi-Fi access point | Yamaha Corporation, Shizuoka, Japan | WLX313 |