一種利用飛蛾活體天線尋找氣味的避障無人機(jī)

很明顯的可以看出，對機(jī)器人傳感的研究一直是以人為中心的。我們中的大多數(shù)人在視覺上和3D中導(dǎo)航和體驗(yàn)世界，所以機(jī)器人往往被相機(jī)和激光雷達(dá)之類的東西所覆蓋。觸覺對我們來說很重要，就像聲音一樣，所以機(jī)器人在理解觸覺和聽覺信息方面也越來越好。

不過，對于味道呢？

在大多數(shù)情況下，嗅覺并不能為我們傳遞那么多的信息，因此，雖然它在機(jī)器人技術(shù)中并沒有被完全忽略，但在大多數(shù)情況下，它肯定不是我們主要選擇的感知方式。

嗅覺的部分問題在于，從技術(shù)的角度來看，我們沒有一個好的方法來理解分析。這是一個長期的挑戰(zhàn)，這就是為什么我們要么利用動物的優(yōu)勢，如狗，老鼠，禿鷲，和其他動物，作為我們的空氣中化學(xué)物質(zhì)的傳感系統(tǒng)。但就長遠(yuǎn)來看，對于動物的研究還不足以完全解決問題。然而，在更好地制造化學(xué)傳感器之前，利用生物學(xué)來研究是所能做的最好的方向之一。

老實(shí)說，關(guān)于無人機(jī)本身沒什么好說的。這是一個名為CrazyFlie2.0的開源無人機(jī)項(xiàng)目，帶有一些額外的現(xiàn)成傳感器，用于避障和穩(wěn)定。有趣的是一對被動鰭，使無人機(jī)一直指向風(fēng)中，然后是被稱為電子天線圖的傳感器。

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了Smellicopter：一種自主無人機(jī)，利用飛蛾的活體天線向氣味導(dǎo)航。Smellicopter在空中飛行時還能感知并避開障礙物。"

飛蛾使用其天線來感知環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)，并向食物來源或潛在的伴侶導(dǎo)航。飛蛾天線中的細(xì)胞放大了化學(xué)信號，一個氣味分子可以觸發(fā)很多細(xì)胞反應(yīng)，這是一個超級高效和快速的過程。

研究團(tuán)隊(duì)使用Manduca sexta hawkmoth的天線制作Smellicopter。研究人員將蛾子放在冰箱里，在取出天線之前對它們進(jìn)行麻醉。一旦與活蛾分離，天線就會在生物和化學(xué)上保持長達(dá)4小時的活性。研究人員表示，通過將天線存放在冰箱中，可以延長這個時間。

通過在天線的兩端添加微小的電線，研究人員能夠?qū)⑵溥B接到電路上，并測量天線中所有細(xì)胞的平均信號。然后，該團(tuán)隊(duì)將其與普通的人類制造的傳感器進(jìn)行了比較，將兩者放在風(fēng)洞的一端，并飄出兩種傳感器都會反應(yīng)的氣味：花香和乙醇。天線的反應(yīng)速度更快，在吸氣之間恢復(fù)的時間更短。

為了創(chuàng)建Smellicopter，該團(tuán)隊(duì)將天線傳感器添加到一個開源的手持式市售四翼無人機(jī)上，研究人員還在無人機(jī)的背面添加了兩個塑料翅片，以產(chǎn)生阻力，幫助它不斷朝向上風(fēng)向。

Smellicopter不需要研究人員的任何幫助就能搜索氣味。團(tuán)隊(duì)為無人機(jī)創(chuàng)建了一個 "投擲和激增 "協(xié)議，模仿飛蛾搜索氣味的方式。Smellicopter通過向左移動特定距離開始搜索。如果沒有任何東西通過特定的氣味閾值，Smellicopter就會向右移動相同的距離。一旦檢測到氣味，它就會改變飛行模式，向氣味飛去。

對于該研究，我們詢問了相關(guān)研究人員 -- 西雅圖華盛頓大學(xué)機(jī)械工程博士生Melanie Anderson，華盛頓大學(xué)生物學(xué)教授Thomas Daniel，威斯康星州機(jī)械工程的助理教授Sawyer Fuller。他們通過電子郵件向我們（作者，以下簡稱我）做了介紹，以及其他一些亟待解決的問題。

Q

IEEE Spectrum：先問一些重要的問題：是誰發(fā)明了“Smellicopter”？

Melanie Anderson：Tom Daniel創(chuàng)造了“Smellicopter”這個詞。Another runner up was "OdorRotor"!

Q

總的來說，飛蛾的氣味定位能力比機(jī)器人強(qiáng)多少？

Melanie Anderson：飛蛾在氣味檢測和氣味定位方面非常出色，它們需要利用此能力來找到配偶和食物。它們的觸角比任何便攜式人造氣味傳感器都靈敏和專業(yè)。我們無法得知飛蛾到底是如何很好地尋找氣味的，但是能夠在飛行平臺上擁有飛蛾的氣味敏感性是朝著這個方向邁出的一大步。

Tom Daniel：我們的估計是，他們超過機(jī)器人傳感至少三個數(shù)量級。

Q

嗅覺器的定位行為與真蛾相比如何？

Anderson：cast-and-surge氣味搜索策略是我們認(rèn)為飛蛾（和許多其他氣味搜索動物）正在做的事情的簡化版本。這是一種反應(yīng)性策略，它依賴于這樣一種知識：如果你察覺到氣味，你可以假設(shè)氣味的源頭在你的上游某處。當(dāng)你探測到氣味時，你只需逆風(fēng)移動，當(dāng)你失去氣味信號時，你就朝著橫風(fēng)方向投射，直到你重新獲得信號為止。

Q

你能詳細(xì)說明一下CRISPR有沒有可能設(shè)計出飛蛾來檢測特定的化學(xué)物質(zhì)呢？

Anderson：CRISPR目前已經(jīng)被用于修改蛾類的氣味檢測途徑。這是我們未來的努力之一。

Sawyer Fuller：我們認(rèn)為，使用飛蛾觸角的優(yōu)勢之一，除了它的速度外，還在于它可以提供一條既具有高化學(xué)特異性又具有高靈敏度的途徑。通過表達(dá)只有一個或幾個化學(xué)傳感器的優(yōu)勢，我們預(yù)計蛾類天線將只對這種化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反應(yīng)。其他研究小組正在努力制造這種特殊、靈敏的化學(xué)探測器?；瘜W(xué)傳感是生物學(xué)在效率、體積小和靈敏度方面超過人造系統(tǒng)的一個領(lǐng)域。所以這就是為什么我們認(rèn)為試圖利用已經(jīng)存在的生物機(jī)制的方法有一些優(yōu)點(diǎn)。

Q

你提到用冰可以延長天線壽命幾天-你認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)在研究范圍之外的可行性有多高？

Anderson：這種天線可以裝在標(biāo)準(zhǔn)冰箱里的小瓶子里，也可以放在冰袋里，這樣可以延長一周的壽命。另外，將天線連接到電路的過程是可教的技能。在研究背景之外，這絕對是可行的。

Q

考慮到傳感器發(fā)展的軌跡，你認(rèn)為這種生物傳感器系統(tǒng)在多長時間內(nèi)會優(yōu)于傳統(tǒng)的替代品？

Anderson：很難說未來會發(fā)生什么，但目前，飛蛾天線仍然是所有商用便攜式傳感器中的佼佼者。

Q

已經(jīng)有一些關(guān)于控制論昆蟲的實(shí)驗(yàn)；你的方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)是什么，相對于（比方說）把某種跟蹤系統(tǒng)放在一只活的蛾子上？

Daniel：幾年前我是一個網(wǎng)絡(luò)昆蟲小組的成員。這類研究的挑戰(zhàn)在于，動物對試圖操縱或控制它的行為有著自然的反應(yīng)。

Anderson：雖然目前飛蛾比機(jī)器人更擅長跟蹤氣味，但無人機(jī)平臺的優(yōu)勢在于我們可以控制它。我們可以告訴它將搜索限制在某個區(qū)域，并在完成搜索后返回。

Q

在你的實(shí)驗(yàn)中，你能告訴我們關(guān)于飛蛾的健康、快樂和總體狀況嗎？

Anderson：在取出天線之前，蛾子是被冷麻醉的。然后將它們冷凍起來，以便用于教學(xué)或其他研究工作。

原文標(biāo)題：Smellicopter，一種利用飛蛾活體天線尋找氣味的避障無人機(jī)

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