تقدم هذه الدراسة بروتوكولات تجريبية لطائرة بدون طيار للكشف عن الروائح الهجينة الحيوية تعتمد على هوائيات silkmoth. يتم عرض تشغيل جهاز electroantennogram تجريبي مع هوائيات silkmoth ، بالإضافة إلى هيكل طائرة بدون طيار هجينة بيولوجية مصممة لتوطين مصدر الرائحة باستخدام خوارزمية الطفرة الحلزونية.
وقد اجتذبت الطائرات الصغيرة بدون طيار المزودة بأجهزة كيميائية أو أجهزة استشعار بيولوجية يمكنها الكشف عن جزيئات الروائح المحمولة جوا اهتماما كبيرا بسبب قابليتها للتطبيق في عمليات الرصد والرصد البيئي والأمني والبحث والإنقاذ. وقد تم تطوير طائرات بدون طيار صغيرة مزودة بأجهزة استشعار غاز تجارية من أكسيد المعادن أشباه الموصلات (MOX) لتوطين مصدر الرائحة؛ ومع ذلك ، فقد ثبت أن أداء الكشف عن الرائحة في الوقت الحقيقي غير كاف. ومع ذلك ، فإن تقنيات الاستشعار الحيوي القائمة على أنظمة شم الحشرات تظهر حساسية عالية نسبيا ، والانتقائية ، والاستجابة في الوقت الحقيقي فيما يتعلق بجزيئات الرائحة مقارنة بأجهزة استشعار غاز MOX التجارية. في مثل هذه الأجهزة ، تعمل هوائيات الحشرات المقتطعة كعناصر استشعار حيوي محمولة ذات رائحة وقد تم العثور عليها لتقديم أداء استشعار ممتاز. تقدم هذه الدراسة بروتوكولات تجريبية للكشف عن جزيء الرائحة في الهواء باستخدام طائرة بدون طيار هجينة بيولوجية مستقلة صغيرة تعتمد على جهاز تخطيط كهربية (EAG) قابل للإزالة يتضمن هوائيات silkmoth.
لقد طورنا جهاز EAG قابل للإزالة بما في ذلك أجزاء الاستشعار / المعالجة مع وحدة Wi-Fi. تم تجهيز الجهاز مع الضميمة استشعار بسيطة لتعزيز المباشرة الاستشعار. وهكذا، تم إجراء توطين مصدر الرائحة باستخدام خوارزمية الطفرة الحلزونية، والتي لا تفترض اتجاه الرياح. حددت الطائرة التجريبية التجريبية للكشف عن الروائح الهجينة الحيوية اختلافات في الوقت الحقيقي في تركيز الروائح في بيئة مفتوحة زائفة (خارج نفق الرياح) وتوطين المصدر. يمكن أن تكون الطائرة بدون طيار المطورة والنظام المرتبط بها بمثابة أداة فعالة للكشف عن جزيئات الرائحة ومنصة طيران مناسبة لتطوير خوارزميات توطين مصدر الرائحة بسبب قابليتها للبرمجة العالية.
مع التقدم الأخير ، أصبحت الطائرات بدون طيار الصغيرة ذات أجهزة الاستشعار الكيميائية قابلة للتطبيق بشكل كبير في المراقبة البيئية والأمنية والكشف عن تسرب الغاز1. طائرات بدون طيار صغيرة (يبلغ قطرها حوالي < 20 سم) مع أجهزة استشعار الغاز التجارية أكسيد المعادن أشباه الموصلات (MOX) وقد طبقت مؤخرا لتنفيذ رسم خرائط رائحة أو رائحة مصدرتوطين 2،3،4. عند البحث عن مصادر الرائحة ، يجب على الطائرة بدون طيار تتبع أعمدة الرائحة ؛ ومع ذلك ، فإن توطين مصدر الرائحة باستخدام الطائرات بدون طيار الصغيرة يمثل تحديات كبيرة. في بيئة مفتوحة، تتعرض هياكل أعمدة الروائح لتغيرات مستمرة بسبب عوامل بيئية مثل الرياح أو المناظر الطبيعية. ومن ثم، ينبغي أن تكون الطائرات بدون طيار قادرة على تحديد الاختلافات في تركيز الروائح والاتجاهات التي تتفاوت بمرور الوقت؛ ومع ذلك ، فإن أداء الكشف عن الرائحة لأجهزة استشعار MOX التجارية لا يزال غير كاف للاستشعار في الوقت الحقيقي بسبب بطء وقت الاسترداد5.
النظم الهجينة الحيوية التي تشكلت من خلال دمج النظم البيولوجية والاصطناعية هي اتجاه حديث في الروبوتات وتقنيات الاستشعار6، مما يدل على إمكانات كبيرة لتجاوز قدرات النهج القائمة. على سبيل المثال ، تم تطوير شبكة استشعار روبوتية بيولوجية تعتمد على الصراصير لتطبيقها في حالات الكوارث7. وقد أجريت التجارب التي الفئران سايبورغ مع الذكاء المحسن حسابيا كلفت مع حل متاهات8. وقد تم التحقيق في إمكانية الاندماج الاجتماعي للروبوتات المحاكاة الحيوية في مجموعات من أسماك الحمار الوحشي الحقيقي9.
وبطبيعة الحال، تم تطبيق هذا الاتجاه لتطوير أجهزة استشعار الروائح10. على سبيل المثال ، تتمتع أجهزة الاستشعار الحيوية المستندة إلى أنظمة شم الحشرات بحساسية عالية نسبيا وانتقائية فيما يتعلق بجزيئات الرائحة المختلفة مقارنة بمستشعرات MOXالموجودة 11. على هذا المنوال ، كنا قد طورنا سابقا أنظمة الاستشعار الحيوي الهجين الحيوي القائمة على مزيج من خلايا الحشرات التي تعبر عن مستقبلات رائحة الحشرات والمجهر أو الأجهزة الإلكترونية12و13و14و15و16. وعلاوة على ذلك ، يمكن استخدام هوائيات الحشرات بشكل مستقل كأجزاء استشعار الرائحة المحمولة مع حساسية عالية ، والانتقائية ، والتكرار ، والاستجابة السريعة / وقت الاسترداد ، وذلك باستخدام تقنية electroantennography (EAG)17،18،19. تم تطوير العديد من روبوتات استشعار الروائح الأرضية المتنقلة باستخدام تقنيات EAG استنادا إلى هوائيات الحشرات20و21و22و23 أو طائرات بدون طيار صغيرة مزودة بأجهزة EAG24و25 للكشف عن الرائحة وتوطين مصدر الرائحة. هذه الروبوتات عرض حساسية الاستشعار والقدرة على الاستشعار في الوقت الحقيقي. ومع ذلك ، يتأثر تنقل الروبوتات المتنقلة الأرضية بشكل كبير بميزات الأرض أو العقبات. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال خوارزميات توطين أداء الطيران ومصدر الرائحة للطائرات بدون طيار الحيوية الهجينة القائمة على EAG محدودة لأن الظروف التجريبية اقتصرت على الرحلة24 المربوطة أو التي تجري في نفق رياح صغير25.
تقدم هذه الدراسة بروتوكولات تجريبية للكشف عن الرائحة في توطين مصدر الهواء والرائحة باستخدام طائرة بدون طيار هجينة بيولوجية تم تطويرها مؤخرا استنادا إلى هوائيات silkmoth (Bombyx mori)26. لقد طورنا جهاز EAG بحجم يمكن التغلب عليه وخفيف الوزن مع وظيفة اتصال لاسلكي للكشف عن استجابات الرائحة لهوائيات silkmoth. تم تركيب جهاز EAG على طائرة بدون طيار صغيرة ، مثبتة في حاوية استشعار بسيطة لتعزيز المباشرة الاستشعار لجزيئات الرائحة والحد من الضوضاء. اكتشفت الطائرة بدون طيار الهجينة بيولوجيا بشكل مستنسخ جزيئات الرائحة المحمولة جوا وحددت الحد الأقصى لتركيز الرائحة أثناء الحركات الحلزونية. وعلاوة على ذلك، فإن الطائرة بدون طيار توطين مصدر رائحة باستخدام خوارزمية دوامة الطفرة دون معلومات اتجاه الرياح.
تم تطوير الروبوتات المتنقلة مع أجهزة EAG لأول مرة قبل 25 عاما20. ومنذ ذلك الحين، حدثت تطورات كبيرة في التكنولوجيات الروبوتية، بما في ذلك الطائرات بدون طيار. وبالنظر إلى هذه التطورات التكنولوجية، قمنا بتطوير طائرة بدون طيار هجينة بيولوجية مستقلة مع جهاز EAG يعتمد على هوائي silkmoth للكشف عن الرائحة وتوطينها في الهواء26. توضح هذه الدراسة تشغيل الطائرة بدون طيار الهجينة الحيوية المطورة وتتبع التحفيز اليدوي للروائح في غرفة باستخدام الطائرة بدون طيار.
في هذه الدراسة، كما تم إرفاق هوائيات silkmoth إلى الأقطاب الكهربائية باستخدام هلام موصل كهربائيا، تحققنا من أن كلا طرفي كل هوائي إجراء اتصال مع الأقطاب الكهربائية بشكل آمن قبل بدء تجارب EAG على المكتب أو الطائرة بدون طيار. إذا فقدت إشارات من جهاز EAG فجأة أثناء التجربة ، فإن الباحث سيتحقق أولا من اتصال الهوائي بالأقطاب الكهربائية. من الممكن أن تكون هذه المشكلة قد حدثت مع احتمال أكبر في تجارب EAG على الطائرة بدون طيار. في حين أن عمر هوائيات silkmoth المعزولة هو أكثر من ساعة ، لأن الجل جفت في اثني عشر إلى عشرات الدقائق في هذه الدراسة ، وإضافة هلام إلى نقاط الاتصال من الهوائيات والأقطاب الكهربائية قد تساعد على استعادة كثافة الإشارة.
تم تجهيز الطائرة بدون طيار في هذه الدراسة مع VPS التي تتألف من كاميرا ومستشعر الأشعة تحت الحمراء لتحقيق الاستقرار في الطيران. وجدنا أن الطائرة بدون طيار جنحت أثناء تحوم على أرضية ناعمة، مما قد يكون تسبب في عدم استقرار جهاز استشعار الأشعة تحت الحمراء تحت جسم الطائرة بدون طيار. نفس المشكلة نشأت في بعض الأحيان عندما أجريت تجارب باستخدام هذه الطائرة بدون طيار في غرفة مع أرضية ناعمة مثل البلاط. لذلك، غطينا الأرض بالسجاد المرفوع (استخدمنا سجادا بأربعة ألوان طوله 45 سم × مساحة 45 سم) وقلصنا انجراف الطائرة بدون طيار. وتبين أن هذه العملية مفيدة لتحقيق الاستقرار في رحلة تجارب الفريق على الطائرة بدون طيار.
تكمن أهمية الطائرة بدون طيار الهجينة بيولوجيا في هذه الدراسة في قدرتها على التعرف على تركيز الرائحة ومباشرتها الحسية تجاه مصادر الرائحة. حددت الطائرة بدون طيار اختلافات تركيز الروائح في الوقت الحقيقي خارج نفق الرياح وتوطين المصدر باستخدام خوارزمية الطفرة الحلزونية(الشكل 8). خوارزمية دوامة الطفرة29،30 لا يتطلب معلومات عمود الموقع أثناء الاستيلاء على عمود والمعارض موثوقيتها عالية نسبيا ، مقارنة مع خوارزمية الصب ، في تدفق صفح منخفضالسرعة 30. تم تثبيت هذه الخوارزمية مسبقا على الروبوت المحمول الأرض30; ومع ذلك ، كان مطلوبا استشعار اتجاه الرياح للتعرف على اتجاه الرياح. كانت معلومات الرائحة ثنائية، وتم تجاهل التركيز.
بالنسبة للطائرة بدون طيار القائمة على هوائي الحشرات ، فإن تركيب أجهزة استشعار إضافية ، مثل أجهزة استشعار الرياح ، هو مقايضة بين الحمولة واستهلاك البطارية. بالإضافة إلى ذلك ، لا تزال معلومات الرائحة التي اكتشفها EAG على الطائرة بدون طيار يتم تقييمها لتحديد ما إذا كانت تتجاوز عتبة25. عزز تصميم الطائرات بدون طيار الهجين الحيوي المستخدم في هذه الدراسة من المباشرة لجهاز EAG نفسه ولم يتطلب مستشعر اتجاه الرياح. مكنت المباشرة الاستشعار الطائرة بدون طيار للاستفادة من معلومات تركيز الرائحة خلال الحركات الحلزونية في بيئة الغرفة التي كانت أكثر تعقيدا من نفق الرياح. واستخدمت في هذه الدراسة حاوية أسطوانية؛ ومع ذلك، يجب تطوير حاوية أكثر تفصيلا وخفيفة الوزن في المستقبل.
ومع ذلك ، فإن الطائرة بدون طيار الهجين الحيوي التي تم فحصها في هذه الدراسة لديها بعض القيود. على سبيل المثال، كانت مسافة توطين مصدر الرائحة لا تزال محدودة. نظرا لحركتها العالية ، يجب أن تكون الطائرات بدون طيار قادرة على البحث عن الروائح لمسافات طويلة في غضون عشرات الأمتار. ومع ذلك ، اقتصرت المسافة التي حققتها الطائرة بدون طيار الهجين الحيوي المستندة إلى هوائي الحشرات على 2 متر26، وأجريت اختبارات توطين مصدر الرائحة في نفق الرياح مع مساحة محدودة25. تمديد مسافة البحث أمر ضروري لتطوير منصة طيران عملية للكشف عن الرائحة.
للبحث لمسافات طويلة (أكثر من 10 م) ، مطلوب توجيه استشعار عالية خوارزمية توطين مصدر رائحة فعالة ، نظرا إلى أن تخفيف تركيز الرائحة والتوزيع المعقد لعمود الرائحة متوقع. استشعار ستيريو باستخدام هوائيين من نفس الحشرة يمكن أن تزيد من الاتجاه23. وأجريت معظم تجارب توطين مصدر الرائحة باستخدام طائرات بدون طيار صغيرة مزودة بأجهزة استشعار غاز تجارية باستخدام جهاز استشعار واحد، ولم تجر مجموعة أجهزة EAG على الطائرات بدون طيار. لذلك ، يجب تطوير صفيف جهاز EAG للطائرات بدون طيار الصغيرة لزيادة إمكاناتها في تطبيق استشعار الرائحة. كما أن صفيف أجهزة EAG سيسهل تطوير خوارزمية توطين مصدر الرائحة الفعالة لأنها تسمح بتوطين أكثر دقة لعمود الرائحة.
تساهم الطائرات بدون طيار التي تعتمد على هوائي الحشرات للكشف عن الروائح الهجينة الحيوية في الأبحاث الأساسية والتطبيقية على حد سواء. من منظور البحوث الأساسية ، يمكن استخدام هذه الطائرات بدون طيار كمنصات اختبار لتطوير خوارزميات توطين مصدر الرائحة. وقد اقترح خوارزميات مختلفة سابقا31؛ ومع ذلك ، أظهرت منصات الاختبار باستخدام روبوت متنقل أجرى عمليات بحث ثنائية الأبعاد عن الروائح أو أجهزة استشعار الغاز التجارية أداء محدودا. في هذه الاجهزة، من الصعب على الخوارزميات المقترحة أن تثبت أدائها. أظهرت الطائرة بدون طيار الهجينة بيولوجيا في هذه الدراسة قدرة التعرف على تركيز الرائحة بالإضافة إلى المباشرة الحسية والحساسية والانتقائية. لذلك ، فإنه يظهر وعدا كبيرا للتثبيت في خوارزميات توطين مصدر الرائحة الأكثر تقدما أو ثلاثي الأبعاد.
وفيما يتعلق بالتطبيقات، يمكن نشر طائرات بدون طيار هجينة بيولوجيا في بعثات قد تواجه الحيوانات الحية صعوبة في الاقتراب منها، مثل الكشف عن التسريبات الكيميائية/البيولوجية السامة، والمواد المتفجرة، وعمليات البحث والإنقاذ. لتطبيق هذه الطائرات بدون طيار على هذه البعثات ، تحتاج هوائيات الحشرات إلى اكتشاف جزيئات الرائحة المضمنة في مصادر الرائحة المستهدفة. يمكن تعديل هوائيات Silkmoth وراثيا32 لديها القدرة على الكشف عن جزيئات الرائحة غير فرمون الجنس silkmoth الإناث؛ وهكذا، فإن هذه التطبيقات أصبحت الآن حقيقة واقعة.
The authors have nothing to disclose.
وقد دعم هذا العمل جزئيا بمنحة بحثية من مؤسسة موراتا للعلوم. ويود المؤلفون أن يعترفوا ب شركة سمارت روبوتيكس المحدودة، طوكيو، اليابان، لمساعدتها في تطوير منصات الطائرات بدون طيار والبرمجة وشركة مساعدة التكنولوجيا المحدودة، أوساكا، اليابان، للمساعدة في تصميم الدوائر الإلكترونية. كما يود المؤلفون أن يشكروا الدكتور شيجيرو ماتسوياما (كلية الدراسات العليا في علوم الحياة والبيئة، جامعة تسوكوبا) على توفيرهم القنابل النقية؛ السيد تاكويا ناكاجو (RCAST، جامعة طوكيو) لدعم تربية الحرير؛ والسيد يوسوكي نوتومي (كلية الدراسات العليا للعلوم والتكنولوجيا، جامعة طوكيو للعلوم) لدعمه اقتناء صور silkmoth.
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 |