Este estudo introduz protocolos experimentais para um drone bio-híbrido de detecção de odor baseado em antenas de sedamoth. A operação de um dispositivo experimental de eletroantennograma com antenas de sedamoth é apresentada, além da estrutura de um drone bio-híbrido projetado para localização de fonte de odor usando o algoritmo de surto espiral.
Pequenos drones com dispositivos químicos ou biosensor que podem detectar moléculas de odorantes no ar têm atraído considerável atenção devido à sua aplicabilidade em operações de monitoramento ambiental e de segurança e operações de busca e resgate. Pequenos drones com sensores comerciais de gás semicondutores de óxido de metal (MOX) foram desenvolvidos para localização de fonte de odor; no entanto, seu desempenho de detecção de odor em tempo real provou ser inadequado. No entanto, tecnologias de biosensividade baseadas em sistemas olfativos de insetos exibem sensibilidade, seletividade e resposta em tempo real relativas a moléculas odorantes em comparação com sensores comerciais de gás MOX. Nesses dispositivos, as antenas de insetos excisadas funcionam como elementos biosensor odorantes portáteis e foram encontradas para oferecer um excelente desempenho de sensoriamento. Este estudo apresenta protocolos experimentais para detecção de moléculas de odorant no ar usando um pequeno drone bio-híbrido autônomo baseado em um dispositivo de eletroantennografia montável (EAG) que incorpora antenas de sedamoth.
Desenvolvemos um dispositivo EAG montável, incluindo peças de sensoriamento/processamento com um módulo Wi-Fi. O dispositivo foi equipado com um simples gabinete de sensor para melhorar a dirigividade do sensor. Assim, a localização da fonte do odor foi conduzida usando o algoritmo de surto espiral, que não assume uma direção de vento contrário. O drone experimental de detecção de odor bio-híbrido identificou diferenças de concentração de odor em tempo real em um ambiente pseudo-aberto (fora de um túnel de vento) e localizou a fonte. O drone desenvolvido e o sistema associado podem servir como uma ferramenta eficiente de detecção de moléculas odorantes e uma plataforma de voo adequada para o desenvolvimento de algoritmos de localização de fonte de odor devido à sua alta programabilidade.
Com os avanços recentes, pequenos drones com dispositivos de sensoriamento químico tornaram-se altamente aplicáveis no monitoramento ambiental e de segurança e na detecção de vazamento de gás1. Drones pequenos (com diâmetro de aproximadamente < 20 cm) com sensores comerciais de gás semicondutor de óxido de metal (MOX) foram recentemente aplicados para realizar mapeamento de odor ou localização de fonte de odor2,3,4. Ao procurar fontes de odor, um drone deve rastrear plumas de odor; no entanto, a localização da fonte de odor usando pequenos drones apresenta desafios significativos. Em ambiente aberto, as estruturas odor-pluma são submetidas a mudanças contínuas devido a fatores ambientais, como o vento ou a paisagem. Assim, os drones devem ser capazes de identificar diferenças e direções de concentração de odorantes variando ao longo do tempo; no entanto, o desempenho de detecção de odor dos sensores COMERCIAIS MOX ainda é inadequado para a detecção em tempo real devido ao seu tempo de recuperação lento5.
Sistemas bio-híbridos formados pela fusão de sistemas biológicos e artificiais são uma tendência recente em tecnologias robóticas e sensores6,mostrando grande potencial para superar as capacidades das abordagens existentes. Por exemplo, uma rede de sensores bio-robóticos foi desenvolvida com base em baratas para aplicação em situações de desastre7. Experimentos foram realizados nos quais ratos ciborgues com inteligência computacional aprimorada foram encarregados de resolver labirintos8. A possibilidade de integração social de robôs biomiméticos em grupos de peixes-zebra reais tem sido investigada9.
Naturalmente, essa tendência tem sido aplicada para desenvolver sensores odorant10. Por exemplo, biosensores baseados em sistemas olfativos de insetos têm sensibilidade e seletividade relativamente altas em relação a várias moléculas de odorante em comparação com os sensores MOX existentes11. Nesse sentido, já havia desenvolvido sistemas biosensor de odoro bio-híbridos baseados em uma combinação de células de insetos expressando receptores de odorantes de insetos e um microscópio ou dispositivos eletrônicos12,13,14,15,16. Além disso, as antenas de insetos podem ser usadas independentemente como peças de sensoriamento odorante portátil com alta sensibilidade, seletividade, reprodutibilidade e tempo de resposta/recuperação rápida, utilizando a técnica de eletroantennografia (EAG)17,18,19. Vários robôs de sensor de odor móvel terrestre com técnicas de EAG baseadas em antenasde insetos 20,21,22,23 ou pequenos drones com dispositivos EAG24,25 foram desenvolvidos para detecção de odor e localização de fontes de odor. Estes robôs mostraram sensibilidade sensorial e capacidade de detecção em tempo real. No entanto, a mobilidade de robôs móveis terrestres é significativamente influenciada por características ou obstáculos terrestres. Além disso, o desempenho de voo e os algoritmos de localização de fonte de odor de drones bio-híbridos existentes baseados na EAG permanecem limitados porque as condições experimentais foram limitadas ao voo24 amarrado ou a ser conduzido em um pequeno túnel de vento25.
Este estudo apresenta protocolos experimentais para detecção de odor na localização da fonte de odor no ar ena localização da fonte do odor usando um drone bio-híbrido recentemente desenvolvido baseado na antena Silkmoth(Bombyx mori). Desenvolvemos um dispositivo EAG de tamanho montável e leve com uma função de comunicação sem fio para detectar as respostas do odor das antenas de sedamoth. O dispositivo EAG foi montado em um pequeno drone, instalado em um simples gabinete de sensores para melhorar a direcionação do sensor para moléculas de odorantes e reduzir o ruído. O drone bio-híbrido detectou moléculas de odorantes no ar e identificou a concentração máxima de odorno durante os movimentos em espiral. Além disso, o drone localizou a fonte de odor usando o algoritmo de surto espiral sem informações de direção do vento.
Robôs móveis com dispositivos EAG foram desenvolvidos pela primeira vez há 25anos, há 20. Desde então, houve avanços significativos em tecnologias robóticas, incluindo drones. Considerando esses avanços tecnológicos, desenvolvemos um drone bio-híbrido autônomo com um dispositivo EAG baseado em uma antena de seda para detecção e localização de odor no ar26. Este estudo demonstra o funcionamento do drone bio-híbrido desenvolvido e o rastreamento de estimulação manual de odores em uma sala usando o drone.
Neste estudo, como as antenas de seda foram anexadas a eletrodos usando gel eletricamente condutor, verificamos que ambas as extremidades de cada antena fizeram contato com os eletrodos com segurança antes de iniciar experimentos EAG na mesa ou no drone. Se os sinais do dispositivo EAG fossem subitamente perdidos durante o experimento, um pesquisador primeiro verificaria a conexão da antena com os eletrodos. É possível que esse problema tenha ocorrido com maior probabilidade nos experimentos da EAG no drone. Enquanto a vida útil das antenas isoladas de sedamoto é de mais de uma hora, porque o gel secou em uma dúzia a dezenas de minutos neste estudo, a adição de gel aos pontos de conexão das antenas e dos eletrodos pode ajudar a recuperar as intensidades do sinal.
O drone deste estudo foi equipado com o VPS composto por uma câmera e um sensor infravermelho para estabilização de voo. Descobrimos que o drone derrapou durante pairando em um piso liso, o que pode ter causado a instabilidade de um sensor infravermelho sob o corpo do drone. O mesmo problema às vezes surgiu quando experimentos foram realizados usando este drone em uma sala com um piso liso, como ladrilhos. Por isso, cobrimos o chão com tapetes elevados (usamos tapetes de quatro cores de 45 cm × 45 cm de área) e reduzimos a deriva do drone. Este processo foi considerado útil para estabilização de voo dos experimentos da EAG no drone.
A importância do drone bio-híbrido neste estudo reside em sua capacidade de reconhecer a concentração de odor e sua direcionação sensorial em direção a fontes de odor. O drone identificou diferenças de concentração de odorante em tempo real fora de um túnel de vento e localizou a fonte usando o algoritmo de surto espiral(Figura 8). O algoritmo de surto espiral29,30 não requer informações de localização de pluma durante a reacquisição de pluma e exibe sua confiabilidade relativamente alta, em comparação com a do algoritmo de fundição, em um fluxo laminar de baixa velocidade30. Este algoritmo foi previamente instalado em um robô móvel terrestre30; no entanto, um sensor de direção de vento foi necessário para reconhecer a direção do vento. As informações do odor foram binarizadas, e a concentração foi ignorada.
Para o drone baseado em antena de insetos, a montagem de sensores adicionais, como sensores de vento, é uma troca entre carga útil e consumo de bateria. Além disso, as informações de odor detectadas pelo EAG no drone ainda foram avaliadas para determinar se ele excedeu um limiarde 25. O design de drone bio-híbrido utilizado neste estudo aprimorou a dirigividade do próprio dispositivo EAG e não exigiu um sensor de direção do vento. A diretividade do sensor permitiu que o drone utilizasse informações de concentração de odor durante movimentos em espiral em um ambiente de sala que era mais complexo do que um túnel de vento. Um gabinete cilíndrico foi utilizado neste estudo; no entanto, um gabinete mais elaborado e leve deve ser desenvolvido no futuro.
No entanto, o drone bio-híbrido examinado neste estudo tem algumas limitações. Por exemplo, a distância da localização da fonte de odor ainda era limitada. Devido à sua alta mobilidade, os drones devem ser capazes de procurar odores em longas distâncias na ordem de várias dezenas de metros. No entanto, a distância alcançada pelo drone bio-híbrido baseado em antena de insetos foi limitada a 2 m26, e os testes de localização de fonte de odor foram realizados em um túnel de vento com espaço limitado25. Estender a distância de busca é essencial para o desenvolvimento de uma plataforma prática de detecção de odor.
Para pesquisas de longa distância (mais de 10 m), é necessária uma alta dirigitividade de sensores e um algoritmo eficiente de localização de fonte de odor, dado que a diluição da concentração de odor e a distribuição complexa da pluma de odor são esperadas. A detecção estéreo usando duas antenas do mesmo inseto pode aumentar a direcionalidade23. A maioria dos experimentos de localização de fontes de odor usando pequenos drones com sensores de gás comerciais foram realizados usando um único sensor, e um conjunto de dispositivos EAG em drones não foi conduzido. Portanto, um conjunto de dispositivos EAG deve ser desenvolvido para pequenos drones para aumentar seu potencial de aplicação de sensoriamento de odor. O conjunto de dispositivos EAG também facilitaria o desenvolvimento de um algoritmo eficiente de localização de fontes de odor, pois permite uma localização mais precisa de uma pluma de odor.
Drones bio-híbridos de detecção de odor baseados em antenas de insetos contribuem para pesquisas fundamentais e aplicadas. Do ponto de vista da pesquisa fundamental, esses drones podem ser usados como plataformas de teste para desenvolver algoritmos de localização de fonte de odor. Vários algoritmos foram previamente propostos31; no entanto, plataformas de teste usando um robô móvel que realizou pesquisas bidimensionais de odor ou sensores de gás comerciais têm exibido desempenho limitado. Nessas configurações, é difícil para os algoritmos propostos demonstrar seu desempenho. O drone bio-híbrido neste estudo demonstrou capacidade de reconhecimento de concentração de odor, bem como direcionação de sensores, sensibilidade e seletividade. Portanto, mostra grande promessa de instalação em algoritmos de localização de fonte de odor mais avançados ou tridimensionais.
Em termos de aplicações, drones bio-híbridos podem ser implantados em missões que animais vivos podem ter dificuldade em se aproximar, como detectar vazamentos químicos/biológicos tóxicos, materiais explosivos e operações de busca e resgate. Para aplicar tais drones a essas missões, as antenas de insetos precisam detectar moléculas odorant incluídas em fontes de odor alvo. As antenas silkmoth podem ser geneticamente modificadas32 para ter o potencial de detectar moléculas odorantes que não sejam o feromônio sexual de seda fêmea; assim, essas aplicações estão se tornando realidade.
The authors have nothing to disclose.
Este trabalho foi apoiado em parte por uma bolsa de pesquisa da The Murata Science Foundation. Os autores gostariam de reconhecer a Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Japão, por ajudar no desenvolvimento das plataformas de drones e programação e assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japão, por ajudar no design dos circuitos eletrônicos. Os autores também gostariam de agradecer ao Dr. Shigeru Matsuyama (Escola de Pós-Graduação em Vida e Ciências Ambientais da Universidade de Tsukuba) por fornecer bombykol purificado; Sr. Takuya Nakajo (RCAST, Universidade de Tóquio) para apoio à reprodução de sedamoth; e o Sr. Yusuke Notomi (Escola de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia da Universidade de Ciência de Tóquio) por apoiar a aquisição de imagens de sedamoth.
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 |