微型無(wú)人機(jī)用真正的飛蛾天線嗅出氣味

2021-06-10 16:29?來(lái)源 綜合

微型無(wú)人機(jī)用真正的飛蛾天線嗅出氣味

微型無(wú)人機(jī)用真正的飛蛾天線嗅出氣味，研究人員將活天線貼在無(wú)人機(jī)上，讓這臺(tái)機(jī)器擁有異常敏銳的嗅覺(jué)。這臺(tái)無(wú)人機(jī)叫“Smellicopter”。

是飛蛾，它是一架飛機(jī)，它是…… Smellicopter，一種小型無(wú)人機(jī)，可以通過(guò)機(jī)載飛蛾天線感知?dú)馕?。說(shuō)真的，這就是科學(xué)家們對(duì)他們創(chuàng)造的真名，這是一個(gè)監(jiān)控從真正飛蛾的天線發(fā)出的電信號(hào)的系統(tǒng)，允許無(wú)人機(jī)鎖定氣味的來(lái)源并朝著它導(dǎo)航。而且，說(shuō)真的，這有一個(gè)長(zhǎng)期的目的：有一天讓無(wú)人機(jī)配備飛蛾觸角來(lái)嗅探炸彈等物體。

這一切都?xì)w功于鷹蛾Manduca sexta的犧牲，它和其他飛蛾一樣是一種極其敏感的嗅覺(jué)器。當(dāng)飛蛾聞到一種氣味時(shí)，比如花或潛在伴侶的氣味，氣味會(huì)與觸角內(nèi)的蛋白質(zhì)結(jié)合，這些蛋白質(zhì)反過(guò)來(lái)激活專用于特定化學(xué)物質(zhì)的神經(jīng)元。這意味著天線正在產(chǎn)生研究人員可以利用的電信號(hào)。

為了制造一種類似飛蛾無(wú)人機(jī)的機(jī)器人，華盛頓大學(xué)的機(jī)械工程師梅蘭妮·安德森 (Melanie Anderson) 在移除其觸角之前，在冰箱中對(duì)一只鷹蛾進(jìn)行了冷麻醉。然后她將一根天線的兩端都切掉，并將每根都連接到一根連接電路的細(xì)線。“很像心臟監(jiān)測(cè)器，它測(cè)量心臟跳動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電壓，我們測(cè)量天線聞到氣味時(shí)產(chǎn)生的電信號(hào)，”該雜志最近一篇論文的第一作者安德森說(shuō)描述研究的生物靈感和仿生學(xué)。“非常相似的是，天線將產(chǎn)生這些尖峰狀脈沖以響應(yīng)氣味斑塊。”

將鉆機(jī)安裝在小型開(kāi)源 Crazyflie 四旋翼飛行器上，您就擁有了一臺(tái)混合動(dòng)物機(jī)器。分離的飛蛾天線可以持續(xù)存活長(zhǎng)達(dá)四個(gè)小時(shí)，讓無(wú)人機(jī)有足夠的時(shí)間嗅出氣味。

安德森和她的同事更進(jìn)一步，對(duì) Smellicopter 進(jìn)行了編程，使其能夠像真正的飛蛾一樣尋找氣味。如果您能聞到某種氣味，則很有可能是氣味源在您的上風(fēng)向。像飛蛾這樣的昆蟲也是如此，它們會(huì)做一種叫做側(cè)風(fēng)投射的事情，在這種情況下，它們鎖定可能是逆風(fēng)的源頭并朝它飛去，然后根據(jù)需要向左或向右移動(dòng)身體以保持對(duì)氣味的瞄準(zhǔn)。安德森的團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練 Smellicopter 做同樣的事情。“如果風(fēng)向改變，或者你飛得有點(diǎn)偏離航線，那么你就會(huì)失去氣味，”安德森說(shuō)。“所以你施展側(cè)風(fēng)試圖恢復(fù)那條小徑。通過(guò)這種方式，Smellicopter 離氣味源越來(lái)越近。”

研究人員將其稱為“投射和涌動(dòng)”算法：無(wú)人機(jī)向氣味移動(dòng)——在實(shí)驗(yàn)室中，他們使用了花化合物的混合物——如果它失去氣味就向左或向右大頭釘，然后一旦鎖定就向前沖再次。無(wú)人機(jī)還配備了激光傳感器，可以在它四處嗅探時(shí)檢測(cè)并避開(kāi)障礙物。

它是否有效：研究人員發(fā)現(xiàn) Smellicopter 100% 的時(shí)間都能到達(dá)氣味的來(lái)源。這在很大程度上是由于飛蛾觸角的極端敏感性，它可以檢測(cè)到微小的氣味，不是百萬(wàn)分之一或十億分之一，而是萬(wàn)億分之一。飛蛾通過(guò)物理學(xué)進(jìn)一步提高了它的效率：當(dāng)它扇動(dòng)翅膀時(shí)，它會(huì)在觸角上循環(huán)空氣，幫助采樣更多的氣味。在這里，研究人員也從大自然中汲取靈感，使用四旋翼飛行器的旋轉(zhuǎn)葉片在他們借來(lái)的天線上移動(dòng)更多空氣。

當(dāng)然，目前人類可能對(duì)嗅出花朵的飛蛾無(wú)人機(jī)沒(méi)有太大用處，因此研究人員正在探索使用基因編輯的方法來(lái)創(chuàng)造具有觸角的飛蛾，這種飛蛾可以感知與炸彈相關(guān)的氣味。但是，這些科學(xué)蛾對(duì)人造材料的氣味是否可能像普通飛蛾對(duì)潛在配偶的信息素和花的氣味一樣敏感？也就是說(shuō)，研究人員能否重新調(diào)整數(shù)億年來(lái)進(jìn)化為飛蛾完善的嗅覺(jué)？

“從理論上講，你可以獲得更高的靈敏度，”安德森說(shuō)，“因?yàn)轱w蛾的觸角可以感知各種不同的化學(xué)物質(zhì)，就像我們可以聞到各種不同的東西一樣。” 她的實(shí)驗(yàn)室的想法是對(duì)飛蛾天線進(jìn)行基因工程，使其充滿與感知所需化學(xué)物質(zhì)有關(guān)的特定蛋白質(zhì)。這會(huì)將天線的力量集中在一種氣味上，而不是很多。

不過(guò)，目前 Smellicopter 的局限性之一是，雖然它們最多可以使用四個(gè)小時(shí)，但無(wú)實(shí)體的飛蛾觸角平均只能存活兩個(gè)小時(shí)。無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間更短——一次充電最多 10 分鐘——因此電池壽命實(shí)際上是一個(gè)更大的問(wèn)題。在儲(chǔ)存方面，研究人員發(fā)現(xiàn)天線在冷藏時(shí)可以使用一周，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。這不是很多時(shí)間，但“它比冠狀病毒疫苗更容易傳播和運(yùn)輸，”華盛頓大學(xué)生物學(xué)家和神經(jīng)科學(xué)家、新論文的合著者托馬斯丹尼爾說(shuō)。

也許未來(lái)的機(jī)器將利用人類工程學(xué)和進(jìn)化工程學(xué)的精華；畢竟，我們?nèi)祟愡€沒(méi)有發(fā)明一種氣味傳感器的靈敏度接近飛蛾的靈敏度。（雖然研究人員曾試圖制造一個(gè)能像狗一樣聞到氣味的機(jī)器人來(lái)檢測(cè)癌癥。）“我認(rèn)為這是一個(gè)強(qiáng)大的概念，”蘇黎世大學(xué)機(jī)器人專家 Antonio Loquercio 說(shuō)，他研究無(wú)人機(jī)導(dǎo)航，但并未參與這項(xiàng)新工作。“大自然為我們提供了大量生物體的例子，它們的生命依賴于這種能力。這也可能對(duì)自動(dòng)機(jī)器產(chǎn)生強(qiáng)烈影響——不僅僅是無(wú)人機(jī)——它們可以使用氣味來(lái)尋找地震后的幸存者，或者可以識(shí)別人造環(huán)境中的氣體泄漏。”

聽(tīng)著，嗅探犬可以說(shuō)是最好的工作犬，但它們有局限性。爬過(guò)瓦礫尋找地震幸存者是一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作，無(wú)論是對(duì)狗還是人類飼養(yǎng)員來(lái)說(shuō)都是如此。飛蛾無(wú)人機(jī)可以更安全地導(dǎo)航危險(xiǎn)的搜索場(chǎng)景。“此外，”安德森說(shuō)，“無(wú)人機(jī)也能夠探索垂直空域，并且可以在大型工業(yè)設(shè)施中尋找氣體泄漏，狗可能難以導(dǎo)航或手持傳感器很難到達(dá)。”

所以，感謝你們，勇敢的飛蛾，你們的犧牲。愿您永遠(yuǎn)作為 Smellicopters 生活。

編輯： yujeu