이 연구는 실크모스 안테나를 기반으로 하는 바이오 하이브리드 악취 감지 드론을 위한 실험 프로토콜을 소개합니다. 실크모스 안테나를 이용한 실험용 일란텐노그램 장치의 작동이 제시되고, 나선형 서지 알고리즘을 이용하여 악취 원 국소화를 위해 설계된 바이오 하이브리드 드론의 구조가 더해있다.
공중 악취 분자를 감지할 수 있는 화학 또는 바이오 센서 장치를 갖춘 소형 드론은 환경 및 보안 모니터링 및 수색 및 구조 작업에 적용되기 때문에 상당한 관심을 받고 있습니다. 상업용 금속-산화물 반도체(MOX) 가스 센서가 있는 소형 드론이 악취 원 국소화를 위해 개발되었습니다. 그러나 실시간 악취 감지 성능은 부적절하다는 것이 입증되었습니다. 그러나 곤충 후각 시스템을 기반으로 한 바이오센싱 기술은 상용 MOX 가스 센서에 비해 악취 분자에 비해 상대적으로 높은 감도, 선택성 및 실시간 반응을 나타낸다. 이러한 장치에서는 휴대용 오취린 바이오 센서 요소와 같은 곤충 안테나 기능을 절제하고 우수한 감지 성능을 제공하는 것으로 밝혀졌습니다. 이 연구는 실크모스 안테나를 통합한 장착형 전자탄텐노그래피(EAG) 장치를 기반으로 하는 소형 자율 바이오 하이브리드 드론을 사용하여 공기 중의 악취 분자 검출을 위한 실험 프로토콜을 제시합니다.
Wi-Fi 모듈을 갖춘 감지/프로세싱 부품을 포함한 장착 형 EAG 장치를 개발했습니다. 이 장치에는 센서 지향성을 향상시키기 위해 간단한 센서 인클로저가 장착되어 있습니다. 따라서 악취소스 국산화는 나선형 서지 알고리즘을 사용하여 실시되었으며, 이는 바람 방향을 가정하지 않는다. 실험용 바이오 하이브리드 악취 감지 드론은 의사 개방 환경(풍동 외부)에서 실시간 악취 농도 차이를 확인하고 소스를 국소화하였다. 개발된 드론 및 관련 시스템은 높은 프로그래밍 성으로 인해 악취 소스 국소화 알고리즘을 개발하기위한 효율적인 악취 분자 검출 도구및 적절한 비행 플랫폼역할을 할 수 있습니다.
최근 발전함에 따라 화학 물질 감지 장치를 갖춘 소형 드론은 환경 및 보안 모니터링 및 가스 누출 감지1에매우 적용가능해졌습니다. 상업용 금속-산화물 반도체(MOX) 가스 센서가 있는 소형 드론(직경 약 < 20cm)은 최근 악취 매핑 또는 악취 원 국소화2,3,4를수행하기 위해 적용되었다. 악취 원을 검색 할 때, 무인 항공기는 냄새 깃털을 추적해야합니다; 그러나 소형 드론을 이용한 악취 소스 현지화는 상당한 과제를 안고 있습니다. 개방된 환경에서는 바람이나 경관과 같은 환경 적 요인으로 인해 악취 가루 구조가 지속적으로 변경됩니다. 따라서 드론은 시간이 지남에 따라 악취 농도 차이와 방향을 식별할 수 있어야 합니다. 그러나 상용 MOX 센서의 악취 감지 성능은 느린 복구 시간5로인해 실시간 감지에 여전히 부적당합니다.
생물학적 및 인공 시스템의 병합에 의해 형성된 바이오 하이브리드 시스템은 로봇 공학 및 센서 기술6의최근 추세로, 기존 접근 방식의 기능을 능가할 수 있는 큰 잠재력을 보여주고 있습니다. 예를 들어, 바이오 로봇 센서 네트워크는 재해 상황에서 적용을 위한 바퀴벌레를 기반으로 개발되었습니다7. 실험은 계산적으로 향상된 지능을 가진 사이보그 쥐가 미로8을해결하는 임무를 맡았던 실험을 실시하였다. 실제 얼룩말 물고기의 그룹에 생체 모방 로봇의 사회적 통합의 가능성을조사하고있다 9.
당연히 이러한 경향은 악취센서(10)를개발하기 위해 적용되었다. 예를 들어, 곤충 후각 시스템을 기반으로 한 바이오센서는 기존 MOX센서(11)에비해 다양한 악취 분자에 비해 상대적으로 높은 감도 및 선택성을 갖는다. 이러한 라인을 따라, 우리는 이전에 곤충 냄새 수용체와 현미경 또는 전자 장치(12,13,14,15,16)를표현하는 곤충 세포의 조합을 기반으로 바이오 하이브리드 악취 바이오 센서 시스템을 개발했다. 더욱이, 곤충 안테나는 전자탄텐노그래피(EAG)기술(17,18,19)을이용하여 고감도, 선택성, 재현성 및 신속한 반응/회수 시간을 가진 휴대용 악취 감지 부품으로 독립적으로 사용될 수있다. 곤충 안테나20,21,22,23 또는 EAG장치를사용하는 소형 드론24,25개, 악취 감지 및 악취 원 국소화를 위해 개발된 여러 지상 이동식 악취 감지 로봇이 개발되었다. 이 로봇은 센서 감도와 실시간 감지 능력을 표시했습니다. 그러나 지상 모바일 로봇의 이동성은 토지 기능이나 장애물에 크게 영향을 받습니다. 또한, 기존 EAG 기반 바이오 하이브리드 드론의 비행 성능 및 악취 소스 국소화 알고리즘은 실험 조건이 테더링비행(24)으로 제한되거나 작은풍동(25)에서수행되기 때문에 제한된 상태로 유지된다.
본 연구는실크모스(Bombyx mori)안테나(26)를기반으로 최근에 개발된 바이오 하이브리드 드론을 사용하여 공기 중악취 검출 및 악취 원 국소화를 위한 실험 프로토콜을 제시한다. 실크모스 안테나의 악취 반응을 감지하기 위해 무선 통신 기능을 갖춘 장착식 크기의 경량 EAG 장치를 개발했습니다. EAG 장치는 작은 드론에 장착되어 간단한 센서 인클로저에 설치되어 악취 분자의 센서 지향성을 향상시키고 소음을 줄였습니다. 바이오 하이브리드 드론은 공수 악취 분자를 재명하게 감지하고 나선형 운동 중 최대 악취 농도를 확인했습니다. 더욱이, 드론은 바람방향 정보 없이 나선형 서지 알고리즘을 사용하여 악취원을 국화하였다.
EAG 장치를 장착한 모바일 로봇은 25년 전20년전에 처음 개발되었습니다. 그 이후로 드론을 포함한 로봇 기술이 크게 발전해 왔습니다. 이러한 기술 발전을 고려하여 공기26의악취 감지 및 국소화를 위한 실크모스 안테나를 기반으로 한 EAG 장치를 갖춘 자율 바이오 하이브리드 드론을 개발했습니다. 이 연구는 개발 된 바이오 하이브리드 무인 항공기의 작동과 무인 항공기를 사용하여 방에서 악취의 수동 자극의 추적을 보여줍니다.
이 연구에서는, 실크모스 안테나가 전기 전도성 젤을 사용하여 전극에 부착되었기 때문에, 각 안테나의 양쪽 끝이 책상이나 드론에서 EAG 실험을 시작하기 전에 전극과 안전하게 접촉했다는 것을 확인했습니다. 실험 중에 EAG 장치의 신호가 갑자기 손실된 경우 연구원은 먼저 안테나와 전극의 연결을 확인합니다. 이 문제는 무인 항공기에 EAG 실험에서 더 높은 확률로 발생할 수 있습니다. 고립 된 실크모스 안테나의 수명은 1 시간 이상이지만, 젤이 이 연구에서 12 분에서 수십 분 만에 건조되기 때문에 안테나와 전극의 연결 지점에 젤을 첨가하면 신호 강도를 회복하는 데 도움이 될 수 있습니다.
이 연구에서 드론은 비행 안정화를 위한 카메라와 적외선 센서로 구성된 VPS를 장착했다. 우리는 무인 항공기가 부드러운 바닥에 떠있는 동안 표류하는 것을 발견, 이는 무인 항공기의 몸 아래 적외선 센서의 불안정을 일으킬 수 있습니다. 타일과 같은 매끄러운 바닥이있는 방에서이 무인 항공기를 사용하여 실험이 수행되었을 때 동일한 문제가 발생하기도했습니다. 따라서, 우리는 카펫을 제기 (우리는 45cm × 45cm 영역의 4 색 카펫을 사용)으로 바닥을 덮고 무인 항공기의 드리프트를 감소. 이 과정은 무인 항공기에 EAG 실험의 비행 안정화에 유용한 것으로 나타났다.
이 연구에서 바이오 하이브리드 드론의 중요성은 악취 농도와 악취 공급원을 향한 센서 지향성을 인식하는 능력에 있습니다. 드론은 풍동 외부의 실시간 악취 농도 차이를 파악하고 나선형 서지 알고리즘(도8)을사용하여 소스를 국한시켰다. 나선형 서지알고리즘(29)은,30은 깃털 재수집 시 깃털 위치 정보를 필요로 하지 않으며, 주조 알고리즘의 신뢰성이 상대적으로 높은 것을 나타내며, 저속 라미나르 유량(30)에서 이다. 이 알고리즘은 이전에 지상 모바일 로봇(30)에설치되었습니다. 그러나 바람 방향 센서는 바람 방향을 인식해야 했습니다. 악취 정보는 비나화되었고, 농도는 무시되었다.
곤충 안테나 기반 드론의 경우 풍력 센서와 같은 추가 센서를 장착하는 것은 탑재하중과 배터리 소비 사이의 절충입니다. 또한, 드론에서 EAG에 의해 검출된 악취 정보는 여전히 임계값25를초과했는지 여부를 판단하였다. 이 연구에 사용된 바이오 하이브리드 드론 설계는 EAG 장치 자체의 지향성을 향상시켰으며 바람 방향 센서가 필요하지 않았습니다. 센서 지향성을 통해 드론은 풍동보다 복잡한 실내 환경에서 나선형 이동 시 악취 농도 정보를 활용할 수 있었습니다. 원통형 인클로저는 이 연구에서 사용되었습니다. 그러나, 더 정교하고 가벼운 인클로저는 미래에 개발되어야한다.
그러나, 이 연구에서 검토된 바이오 하이브리드 무인 항공기에는 몇 가지 제한이 있습니다. 예를 들어 악취 소스 국소화의 거리는 여전히 제한적이었습니다. 이동성이 높기 때문에 드론은 수십 미터의 순서로 장거리에서 냄새를 검색 할 수 있어야합니다. 그러나 곤충 안테나 기반 바이오 하이브리드 드론에 의해 달성된 거리는 2m26으로제한되었고, 악취원 국소화 시험은 제한된공간(25)을가진 풍동에서 수행되었다. 검색 거리를 확장하는 것은 실용적인 악취 감지 비행 플랫폼의 개발에 필수적입니다.
장거리 검색(10m 이상)의 경우 악취 농도의 희석과 악취 깃털의 복잡한 분포를 감안할 때 높은 센서 지향성 및 효율적인 악취 소스 국소화 알고리즘이 필요합니다. 동일한 곤충의 두 개의 안테나를 사용하여 스테레오 감지는방향성(23)을증가시킬 수 있다. 상업용 가스 센서가 있는 소형 드론을 이용한 대부분의 악취 소스 국산화 실험은 단일 센서를 사용하여 수행되었으며 드론의 EAG 장치 어레이는 수행되지 않았습니다. 따라서 소형 드론이 악취 감지 애플리케이션 잠재력을 높이기 위해 EAG 장치 어레이를 개발해야 합니다. EAG 장치 어레이는 악취 깃털의 보다 정밀한 국소화를 가능하게 하기 때문에 효율적인 악취 소스 국소화 알고리즘의 개발을 용이하게 합니다.
곤충 안테나 기반의 바이오 하이브리드 악취 감지 드론은 기본 및 적용 된 연구 모두에 기여합니다. 근본적인 연구의 관점에서 볼 때, 이러한 드론은 악취 소스 국소화 알고리즘을 개발하기 위한 테스트 플랫폼으로 사용될 수 있습니다. 다양한 알고리즘이 이전에 제안되었습니다31; 그러나 2차원 악취 검색 또는 상업용 가스 센서를 수행한 모바일 로봇을 이용한 테스트 플랫폼은 성능이 제한적입니다. 이러한 설정에서는 제안된 알고리즘이 성능을 입증하기는 어렵습니다. 이 연구에서 바이오 하이브리드 드론은 센서 지향성, 감도 및 선택성뿐만 아니라 악취 농도 인식 능력을 입증했습니다. 따라서 고급 또는 3차원 악취 소스 국소화 알고리즘에 설치할 수 있는 큰 약속을 보여줍니다.
응용 분야에서 바이오 하이브리드 드론은 독성 화학/생물학적 누출, 폭발성 물질 및 수색 및 구조 작업 과 같이 살아있는 동물이 접근하는 데 어려움을 겪을 수 있는 임무에 배치할 수 있습니다. 이러한 임무에 이러한 드론을 적용하려면 곤충 안테나가 대상 냄새 원에 포함된 악취 분자를 감지해야 합니다. 실크모스 안테나는 여성 실크모스 성 페로몬 이외의 악취 분자를 검출할 수 있는 잠재력을 갖기위해(32)를 유전자 변형시킬 수 있다; 따라서 이러한 응용 프로그램은 이제 현실이되고 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 무라타 과학 재단의 연구 보조금에 의해 부분적으로 지원되었다. 저자는 일본 오사카에서 전자 회로 설계를 지원하기 위해 드론 플랫폼 및 프로그래밍 및 어시스트 테크놀로지(주)의 개발을 지원하기 위해 일본 도쿄 도쿄스마트 로보틱스(주)를 인정하고자 합니다. 저자는 또한 마쓰야마 시게루 박사(쓰쿠바 대학교 생명환경과학대학원)에게 정화된 봄비콜을 제공한 것에 대해 감사를 표하고 싶습니다. 실크모스 사육 지원을 위해 나카호 다쿠야(도쿄대학교 RCAST) 씨; 노토미 유스케(도쿄과학기술대학원) 실크모스 이미지 취득을 지원하고 있습니다.
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 |