Smellicopter: дрон, избегающий препятствий, который использует живую антенну от мотылька для поиска запахов

Одним из огромных преимуществ дронов является то, что эти маленькие роботы могут перемещаться в места, недоступные для людей, включая районы, которые могут быть слишком опасными, например нестабильные конструкции после стихийного бедствия или регионы с неразорвавшимися устройствами.

Исследователи заинтересованы в разработке устройств, которые могут управлять этими ситуациями, вынюхивая химические вещества в воздухе, чтобы определять местонахождение выживших после стихийных бедствий, утечек газа, взрывчатых веществ и т. Д. Но большинство сенсоров, созданных людьми, недостаточно чувствительны и недостаточно быстры, чтобы обнаруживать и обрабатывать определенные запахи, когда они летят через пятнистые шлейфы запахов, которые создают эти источники.

Теперь команда под руководством Вашингтонского университета разработала Smellicopter: автономный дрон, который использует живую антенну от мотылька для навигации по запахам. Smellicopter также может обнаруживать препятствия и избегать их во время полета. Команда опубликовала эти результаты 1 октября в журнале IOP Bioinspiration & Biomimetics .

«Природа действительно выдувает из воды наши созданные руками человека датчики запаха», — сказала ведущий автор исследования Мелани Андерсон, докторант в области машиностроения из UW. «Используя настоящую антенну мотылька с Smellicopter, мы можем получить лучшее из обоих миров: чувствительность биологического организма на роботизированной платформе, где мы можем контролировать его движение».

Мотылек использует свои антенны, чтобы обнаруживать химические вещества в окружающей среде и перемещаться к источникам пищи или потенциальным партнерам.

«Клетки в антенне мотылька усиливают химические сигналы», — сказал соавтор Томас Дэниел, профессор биологии из Университета штата Вашингтон, который руководит докторскими исследованиями Андерсона. «Бабочки делают это очень эффективно — одна молекула запаха может вызвать множество клеточных реакций, и в этом весь фокус. Этот процесс очень эффективен, специфичен и быстр».

Команда использовала антенны боярышника Manduca sexta для Smellicopter. Исследователи поместили моль в холодильник, чтобы обезболить их, прежде чем снимать антенну. После отделения от живой моли антенна остается биологически и химически активной до четырех часов. По словам исследователей, этот временной промежуток можно увеличить, храня антенны в холодильнике.

Добавив крошечные провода к любому концу антенны, исследователи смогли подключить ее к электрической цепи и измерить средний сигнал от всех ячеек антенны. Затем команда сравнила его с типичным датчиком, созданным руками человека, разместив оба на одном конце аэродинамической трубы и создавая запахи, на которые реагируют оба датчика: цветочный аромат и этанол, разновидность алкоголя. Антенна среагировала быстрее, и ей потребовалось меньше времени на восстановление между затяжками.

Чтобы создать Smellicopter, команда добавила антенный датчик к портативной коммерчески доступной платформе квадрокоптера с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям добавлять специальные функции. Исследователи также добавили два пластиковых плавника на заднюю часть дрона, чтобы создать сопротивление и помочь ему постоянно ориентироваться против ветра.

«С точки зрения робототехники это гениально, — сказал соавтор и советник Сойер Фуллер, доцент кафедры машиностроения из Университета штата Вашингтон. «Классический подход в робототехнике — добавить больше датчиков и, возможно, создать необычный алгоритм или использовать машинное обучение для оценки направления ветра. Оказывается, все, что вам нужно, — это добавить плавник».

Smellicopter не нуждается в помощи исследователей для поиска запахов. Команда создала для дрона протокол «бросок и всплеск», который имитирует поиск молью запахов. Smellicopter начинает поиск с перемещения влево на определенное расстояние. Если ничто не превышает определенный порог запаха, Smellicopter перемещается вправо на такое же расстояние. Как только он обнаруживает запах, он меняет схему полета и устремляется к нему.

Smellicopter также может избегать препятствий с помощью четырех инфракрасных датчиков, которые позволяют ему измерять окружающее 10 раз в секунду. Когда что-то приближается к дрону на расстояние примерно восьми дюймов (20 сантиметров), он меняет направление, переходя к следующему этапу протокола заброса и выброса.

«Так что, если Smellicopter забрасывал влево, а теперь слева есть препятствие, он переключится на заброс вправо», — сказал Андерсон. «И если Smellicopter чувствует запах, но перед ним есть препятствие, он будет продолжать метаться влево или вправо, пока не сможет устремиться вперед, когда на его пути нет препятствия».

Еще одно преимущество Smellicopter заключается в том, что ему не нужен GPS. Вместо этого он использует камеру для обзора своего окружения, подобно тому, как насекомые используют свои глаза. Это делает Smellicopter хорошо подходящим для исследования внутренних или подземных пространств, таких как шахты или трубы.

Во время испытаний в исследовательской лаборатории UW, Smellicopter был естественным образом настроен на полет в направлении запахов, которые моль считает интересными, например, цветов. Но исследователи надеются, что в будущем антенна мотылька сможет почувствовать другие запахи, такие как выдыхание углекислого газа от кого-то, попавшего в ловушку обломков, или химическую сигнатуру неразорвавшегося устройства.

«Поиск источников шлейфа — идеальная задача для маленьких роботов, таких как Smellicopter и Robofly, — сказал Фуллер. «Более крупные роботы способны носить с собой множество различных датчиков и использовать их для построения карты своего мира. Мы не можем сделать это в малых масштабах. Но чтобы найти источник шлейфа, все, что действительно нужно роботу нужно избегать препятствий и оставаться в шлейфе, пока он движется против ветра. Для этого не нужен сложный набор датчиков — он просто должен хорошо чувствовать запах. И это то, в чем Smellicopter действительно хорош ».

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Вашингтонским университетом . Оригинал написан Сарой МакКуэйт. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.