科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

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如果蛾生有四季的話,我在遇到那個人之前都是春天。
我是一隻Manduca sexta,你也可以叫我的中文名菸草天蛾,雖然我的一生很短,但是過的還算開心。
為了尋找食物,我進化出了靈敏的觸角,可以感知到遠處鮮花的味道,但正是這唯一讓我引以為豪的優勢,讓我碰到了那個人。
他居然把我的觸角剪下來當作感測器放在了無人機上!

——選自《一隻菸草天蛾的自傳》

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

無人機可能不是什麼新鮮事物了,感測器也不是。

無論是視覺感測器、聲音感測器,都已經在許多自助機器上得到了運用,如今人工視覺和聽覺感測器在很多方面甚至超過了包括人類在內的所有生物。

嗅覺感測器卻很少會在自主機器上得以運用,其中一條很重要的原因就是其靈敏度不高。

我們到現在都無法做出媲美警犬嗅覺的機器人,所以警犬依舊在安檢中承擔尋找爆炸物和毒品的重任。

但是如果把生物的嗅覺器官作為感測器加到自主機器——像是無人機上呢?

西雅圖華盛頓大學的研究人員就這麼做了。

他們把菸草天蛾的一隻觸角剪下來,然後把電極插入觸角的兩端,就可以利用觸角對氣味的感知,製造一個能夠追尋氣味飛行的無人機!

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

 

這是怎麼做到的呢?

每做兩台無人機,就要犧牲一隻小飛蛾

要製作這樣一個感測器,你需要從天蛾身上「收穫」一個真的觸角。

首先,研究人員需要找到一隻健康的菸草天蛾,然後在取出觸角之前對它們進行麻醉。

一旦觸角與活蛾分離,觸角還能再生物和化學上保持長達4小時的活性,而通過將觸角存放在冰箱中,可以延長這個時間。

飛蛾的觸角是中空的,接下來就可以把電極穿到觸角的兩端,就像這樣:

每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角:科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味

電極的另一端連接著電壓放大器和濾波器,透過類比數位轉換器運行,你就得到了一個重量只有1.5克,耗電量只有2.7mW的化學感測器。

研究人員還將其與普通的人類製造的感測器進行了比較,將兩者放在風洞的一端,並釋放兩種感測器都會反應的氣味:花香和乙醇。結果顯示,飛蛾觸角感測器的反應速度更快,感知氣味恢復的時間更短。

每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角:科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味

飛蛾觸角中的嗅覺神經元遇到熟悉的氣味時,就會產生電訊號,進而電極就會接收到這種氣味。它比傳統的金屬氧化物氣味感測器敏感得多,體積更小,效率更高,是無人機的理想選擇。

一個感測器只需要一根這樣的觸角,所以每隻飛蛾都可以用來製作兩個這樣的氣味感測器。

模仿飛蛾搜索氣味,自主搜尋目標

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

這項研究是由華盛頓大學領導的一個團隊開發的,成員有西雅圖華盛頓大學機械工程教授的博士生Melanie Anderson,生物學教授Thomas Daniel,機械工程助理教授Sawyer。

這個嗅覺無人機項目名為Crazyflie 2.0,他們製作的這款利用飛蛾觸角當感測器的無人機名為Smellicopter。

研究人員首先將「飛蛾感測器」加入一個普通的開源手持四翼無人機上,然後通過建立一個「投擲和激增」"協議來模仿飛蛾搜索氣味的方式,進而使得Smellicopter可以自主追尋氣味進行導航。

每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角:科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味

具體來說,Smellicopter會先透過向左移動特定距離開始搜索,如果沒有感知到任何氣味通過特定的閾值,Smellicopter就會向右移動相同的距離。一旦檢測到氣味,它就會根據設定的程式改變飛行模式,自主向氣味目標飛去。

由於氣味是透過空氣傳播的,所以除非是在源頭的下風處,否則嗅覺感測器就無法探測到它們,因此研究人員還在無人機的背面添加了兩個塑料翅片,以對空氣產生阻力,幫助感測器保持朝向上風向。

科學家用真蛾觸角做傳感器檢測氣味!每造兩台無人機,就有一隻飛蛾失去觸角

未來可以應用到對爆炸物的搜索,高中生也能參加

和其他無人機類似,Smellicopter糊了裝備有嗅覺感測器,還裝有四個紅外線感測器,用以避開障礙物。

紅外感測器和嗅覺感測器並不衝突。紅外感測器每秒測量10次周圍的情況,當有東西靠近無人機約20公分範圍內時,它就會改變方向,嗅覺感測器則開始一個新的「投擲和激增 」協議循環。

Melanie Anderson表示,不需要GPS是Smellicopter的另一優勢,使用四個紅外感測器來勘察周圍環境,類似於昆蟲使用眼睛的方式,這使得Smellicopter非常適合探索礦井或管道等室內或地下空間。

Melanie Anderson還表示他們使用的飛蛾感測器的性能至少比其他人工感測器要好3個量級。

現在,研究人員已經開始修改蛾類的氣味檢測路徑,使觸角對其他感興趣的化學物質敏感,如爆炸物的化學氣味,這是這款無人機未來潛在的應用場景之一。

Thomas Daniel還表示,這個項目相對簡單,這意味著即使是高中生也有可能參與其中,可能是在地面機器人而不是無人機上。

該項目論文標題為《A bio-hybrid odor-guided autonomous palm-sized air vehicle》,發表在《IOP Bioinspiration & Biomimetics》雜誌上。

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