Deze studie introduceert experimentele protocollen voor een bio-hybride geurdetectiedrone op basis van silkmoth-antennes. De werking van een experimenteel elektroantennogramapparaat met zijdemoth-antennes wordt gepresenteerd, naast de structuur van een bio-hybride drone die is ontworpen voor lokalisatie van geurbronnen met behulp van het spiraal-surge-algoritme.
Kleine drones met chemische of biosensorapparaten die geurmoleculen in de lucht kunnen detecteren, hebben veel aandacht getrokken vanwege hun toepasbaarheid in milieu- en veiligheidsmonitoring en zoek- en reddingsoperaties. Kleine drones met commerciële metaaloxide-halfgeleider (MOX) gassensoren zijn ontwikkeld voor lokalisatie van geurbronnen; hun real-time-geurdetectieprestaties zijn echter ontoereikend gebleken. Biosensing-technologieën op basis van insectenreuksystemen vertonen echter een relatief hoge gevoeligheid, selectiviteit en real-time respons met betrekking tot geurmoleculen in vergelijking met commerciële MOX-gassensoren. In dergelijke apparaten functioneren weggesneden insectenantennes als draagbare geurstofbiosensorelementen en is gebleken dat ze uitstekende detectieprestaties leveren. Deze studie presenteert experimentele protocollen voor geurstof-molecuuldetectie in de lucht met behulp van een kleine autonome bio-hybride drone op basis van een monteerbare elektroantennografie (EAG) -apparaat met zijdemoth-antennes.
We ontwikkelden een monteerbaar EAG-apparaat inclusief sensor- / verwerkingsonderdelen met een Wi-Fi-module. Het apparaat was uitgerust met een eenvoudige sensorbehuizing om de sensorgeleiding te verbeteren. Zo werd de lokalisatie van geurbronnen uitgevoerd met behulp van het spiraal-surge-algoritme, dat geen upwind-richting aanneemt. De experimentele bio-hybride geurdetectiedrone identificeerde real-time geurconcentratieverschillen in een pseudo-open omgeving (buiten een windtunnel) en lokaliseerde de bron. De ontwikkelde drone en het bijbehorende systeem kunnen dienen als een efficiënt hulpmiddel voor het detecteren van geurmoleculen en een geschikt vluchtplatform voor het ontwikkelen van lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen vanwege de hoge programmeerbaarheid.
Met recente ontwikkelingen zijn kleine drones met chemische detectieapparatuur zeer toepasbaar geworden in milieu- en beveiligingsmonitoring en gaslekdetectie1. Kleine drones (met een diameter van ongeveer < 20 cm) met commerciële metaaloxide-halfgeleider (MOX) gassensoren zijn onlangs toegepast voor het uitvoeren van geurkartering of geurbronlokalisatie2,3,4. Bij het zoeken naar geurbronnen moet een drone geurpluimen traceren; lokalisatie van geurbronnen met behulp van kleine drones vormt echter aanzienlijke uitdagingen. In een open omgeving worden geurpluimstructuren voortdurend veranderd als gevolg van omgevingsfactoren zoals de wind of het landschap. Daarom moeten drones in staat zijn om geurconcentratieverschillen en richtingen te identificeren die in de loop van de tijd variëren; de geurdetectieprestaties van commerciële MOX-sensoren zijn echter nog steeds ontoereikend voor real-time detectie vanwege hun langzame hersteltijd5.
Bio-hybride systemen gevormd door de samensmelting van biologische en kunstmatige systemen zijn een recente trend in robotica en sensortechnologieën6, die een groot potentieel laten zien om de mogelijkheden van bestaande benaderingen te overtreffen. Zo is er op basis van kakkerlakken een biorobotisch sensornetwerk ontwikkeld voor toepassing in rampsituaties7. Er zijn experimenten uitgevoerd waarbij cyborgratten met computationeel verbeterde intelligentie werden belast met het oplossen van doolhoven8. De mogelijkheid van sociale integratie van biomimetische robots in groepen echte zebravissen is onderzocht9.
Uiteraard is deze trend toegepast om geursensoren te ontwikkelen10. Biosensoren op basis van insectenreuksystemen hebben bijvoorbeeld een relatief hoge gevoeligheid en selectiviteit met betrekking tot verschillende geurmoleculen in vergelijking met bestaande MOX-sensoren11. Langs deze lijnen hadden we eerder bio-hybride odorant biosensorsystemen ontwikkeld op basis van een combinatie van insectencellen die insectengeurreceptoren tot expressie brengen en een microscoop of elektronische apparaten12,13,14,15,16. Bovendien kunnen insectenantennes onafhankelijk worden gebruikt als draagbare geurstofgevoelige delen met een hoge gevoeligheid, selectiviteit, reproduceerbaarheid en snelle respons / hersteltijd, met behulp van de elektroantennografie (EAG) -techniek17,18,19. Verschillende grondmobiele geurgevoelige robots met EAG-technieken op basis van insectenantennes20,21,22,23 of kleine drones met EAG-apparaten24,25 zijn ontwikkeld voor geurdetectie en lokalisatie van geurbronnen. Deze robots vertoonden sensorgevoeligheid en real-time detectievermogen. De mobiliteit van grondmobiele robots wordt echter aanzienlijk beïnvloed door landkenmerken of obstakels. Bovendien blijven de vluchtprestaties en geurbronlokalisatiealgoritmen van bestaande op EAG gebaseerde biohybride drones beperkt omdat experimentele omstandigheden beperkt zijn gebleven tot vastgebonden vlucht24 of tot uitgevoerd in een kleine windtunnel25.
Deze studie presenteert experimentele protocollen voor geurdetectie in de lucht en lokalisatie van geurbronnen met behulp van een recent ontwikkelde bio-hybride drone op basis van silkmoth(Bombyx mori)antennes26. We ontwikkelden een monteerbaar en lichtgewicht EAG-apparaat met een draadloze communicatiefunctie om de geurreacties van zijdemoth-antennes te detecteren. Het EAG-apparaat werd gemonteerd op een kleine drone, geïnstalleerd in een eenvoudige sensorbehuizing om de sensorgeleiding voor geurmoleculen te verbeteren en ruis te verminderen. De bio-hybride drone detecteerde reproduceerbaar geurmoleculen in de lucht en identificeerde de maximale geurstofconcentratie tijdens spiraalbewegingen. Bovendien lokaliseerde de drone de geurbron met behulp van het spiraal-overspanningsalgoritme zonder windrichtinginformatie.
Mobiele robots met EAG-apparaten werden 25 jaar geleden voor het eerst ontwikkeld20. Sindsdien zijn er aanzienlijke vorderingen geweest in robottechnologieën, waaronder drones. Gezien deze technologische vooruitgang hebben we een autonome bio-hybride drone ontwikkeld met een EAG-apparaat op basis van een zijdemothantenne voor geurdetectie en lokalisatie in lucht26. Deze studie toont de werking van de ontwikkelde bio-hybride drone en het traceren van handmatige stimulatie van geuren in een kamer met behulp van de drone.
In deze studie, toen zijdemoth-antennes aan elektroden werden bevestigd met behulp van elektrisch geleidende gel, hebben we geverifieerd dat beide uiteinden van elke antenne veilig contact maakten met de elektroden voordat we begonnen met EAG-experimenten op het bureau of de drone. Als tijdens het experiment plotseling signalen van het EAG-apparaat verloren gingen, zou een onderzoeker eerst de verbinding van de antenne met de elektroden controleren. Het is mogelijk dat dit probleem zich met een hogere waarschijnlijkheid voordeed in de EAG-experimenten op de drone. Hoewel de levensduur van geïsoleerde zijdemoth-antennes meer dan een uur is, omdat de gel in deze studie in een dozijn tot tientallen minuten is uitgedroogd, kan de toevoeging van gel aan de verbindingspunten van de antennes en de elektroden helpen bij het herstellen van signaalintensiteiten.
De drone in deze studie was uitgerust met de VPS bestaande uit een camera en een infraroodsensor voor vluchtstabilisatie. We ontdekten dat de drone dreef tijdens het zweven op een gladde vloer, wat mogelijk de instabiliteit van een infraroodsensor onder het lichaam van de drone heeft veroorzaakt. Hetzelfde probleem deed zich soms voor toen er met deze drone geëxperimenteerd werd in een ruimte met een gladde vloer zoals tegels. Daarom bedekten we de vloer met verhoogde tapijten (we gebruikten vierkleurentapijten van 45 cm × 45 cm gebied) en verminderden de drift van de drone. Dit proces bleek nuttig te zijn voor vluchtstabilisatie van de EAG-experimenten op de drone.
Het belang van de bio-hybride drone in deze studie ligt in zijn vermogen om geurconcentratie te herkennen en zijn sensorrichting naar geurbronnen. De drone identificeerde real-time geurconcentratieverschillen buiten een windtunnel en lokaliseerde de bron met behulp van het spiraal-surge-algoritme(figuur 8). Het spiraal-surge algoritme29,30 vereist geen pluim-locatie-informatie tijdens pluim reacquisitie en vertoont zijn relatief hoge betrouwbaarheid, vergeleken met die van het gietalgoritme, in een laminaire stroom met lage snelheid30. Dit algoritme werd eerder geïnstalleerd op een grondmobiele robot30; er was echter een windrichtingssensor nodig om de bovenwindse richting te herkennen. Geurinformatie werd gesepileerd en concentratie werd genegeerd.
Voor de op insectenantennes gebaseerde drone is het monteren van extra sensoren, zoals windsensoren, een afweging tussen laadvermogen en batterijverbruik. Daarnaast werd geurinformatie die door de EAG op de drone werd gedetecteerd nog steeds beoordeeld om te bepalen of deze een drempel25overschreed. Het bio-hybride drone-ontwerp dat in deze studie werd gebruikt, verbeterde de directiviteit van het EAG-apparaat zelf en vereiste geen windrichtingsensor. De sensor directiviteit stelde de drone in staat om geurconcentratie-informatie te gebruiken tijdens spiraalvormige bewegingen in een kameromgeving die complexer was dan een windtunnel. In deze studie werd een cilindrische behuizing gebruikt; in de toekomst moet echter een uitgebreidere en lichtere behuizing worden ontwikkeld.
De bio-hybride drone die in deze studie is onderzocht, heeft echter enkele beperkingen. Zo was de afstand van de lokalisatie van de geurbron nog beperkt. Vanwege hun hoge mobiliteit moeten drones in staat zijn om geuren over lange afstanden in de orde van enkele tientallen meters te zoeken. De afstand die werd bereikt door de op insectenantennes gebaseerde bio-hybride drone was echter beperkt tot 2 m26en lokalisatietests voor geurbronnen werden uitgevoerd in een windtunnel met beperkte ruimte25. Het vergroten van de zoekafstand is essentieel voor de ontwikkeling van een praktisch geurdetectievliegplatform.
Voor zoekopdrachten over lange afstand (meer dan 10 m) zijn een hoge sensordigietiviteit en een efficiënt lokalisatiealgoritme voor geurbronnen vereist, aangezien verdunning van de geurconcentratie en complexe verdeling van de geurpluim worden verwacht. Stereodetectie met behulp van twee antennes van hetzelfde insect kan de directionaliteit verhogen23. De meeste lokalisatie-experimenten met geurbronnen met kleine drones met commerciële gassensoren werden uitgevoerd met behulp van een enkele sensor en een EAG-apparaatarray op drones werd niet uitgevoerd. Daarom moet een EAG-apparaatarray worden ontwikkeld voor kleine drones om hun geurdetectie-toepassingspotentieel te vergroten. De EAG-apparaatarray zou ook de ontwikkeling van een efficiënt lokalisatiealgoritme voor geurbronnen vergemakkelijken, omdat het een nauwkeurigere lokalisatie van een geurpluim mogelijk maakt.
Op insectenantennes gebaseerde bio-hybride geurdetectiedrones dragen bij aan zowel fundamenteel als toegepast onderzoek. Vanuit het perspectief van fundamenteel onderzoek kunnen dergelijke drones worden gebruikt als testplatforms om lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen te ontwikkelen. Verschillende algoritmen zijn eerder voorgesteld31; testplatforms met behulp van een mobiele robot die tweedimensionale geurzoekopdrachten of commerciële gassensoren uitvoerde, hebben echter beperkte prestaties vertoond. In deze opstellingen is het moeilijk voor voorgestelde algoritmen om hun prestaties aan te tonen. De bio-hybride drone in deze studie toonde het herkenningsvermogen van geurconcentratie aan, evenals sensor directiviteit, gevoeligheid en selectiviteit. Daarom is het veelbelovend voor installatie in meer geavanceerde of driedimensionale lokalisatiealgoritmen voor geurbronnen.
In termen van toepassingen kunnen bio-hybride drones worden ingezet op missies die levende dieren moeilijk kunnen benaderen, zoals het detecteren van giftige chemische / biologische lekken, explosieve materialen en zoek- en reddingsoperaties. Om dergelijke drones op deze missies toe te passen, moeten de insectenantennes geurmoleculen detecteren die zijn opgenomen in doelgeurbronnen. Silkmoth-antennes kunnen genetisch gemodificeerdworden 32 om het potentieel te hebben om andere geurmoleculen dan het vrouwelijke silkmoth-geslachtsferomoon te detecteren; deze toepassingen worden nu dus werkelijkheid.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd mede ondersteund door een onderzoeksbeurs van The Murata Science Foundation. De auteurs willen Smart Robotics Co., Ltd., Tokyo, Japan, bedanken voor het helpen bij de ontwikkeling van de droneplatforms en programmering en Assist Technology Co., Ltd., Osaka, Japan, voor het helpen bij het ontwerp van de elektronische circuits. De auteurs willen ook Dr. Shigeru Matsuyama (Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba) bedanken voor het leveren van gezuiverde bombykol; De heer Takuya Nakajo (RCAST, De Universiteit van Tokio) voor ondersteuning van de zijdemothveredeling; en de heer Yusuke Notomi (Graduate School of Science and Technology, Tokyo University of Science) voor het ondersteunen van de verwerving van silkmoth-afbeeldingen.
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 |