微型无人机用真正的飞蛾天线嗅出气味

2021-06-10 16:29 来源 综合

微型无人机用真正的飞蛾天线嗅出气味

微型无人机用真正的飞蛾天线嗅出气味，研究人员将活天线贴在无人机上，让这台机器拥有异常敏锐的嗅觉。这台无人机叫“Smellicopter”。

是飞蛾，它是一架飞机，它是…… Smellicopter，一种小型无人机，可以通过机载飞蛾天线感知气味。说真的，这就是科学家们对他们创造的真名，这是一个监控从真正飞蛾的天线发出的电信号的系统，允许无人机锁定气味的来源并朝着它导航。而且，说真的，这有一个长期的目的：有一天让无人机配备飞蛾触角来嗅探炸弹等物体。

这一切都归功于鹰蛾Manduca sexta的牺牲，它和其他飞蛾一样是一种极其敏感的嗅觉器。当飞蛾闻到一种气味时，比如花或潜在伴侣的气味，气味会与触角内的蛋白质结合，这些蛋白质反过来激活专用于特定化学物质的神经元。这意味着天线正在产生研究人员可以利用的电信号。

为了制造一种类似飞蛾无人机的机器人，华盛顿大学的机械工程师梅兰妮·安德森 (Melanie Anderson) 在移除其触角之前，在冰箱中对一只鹰蛾进行了冷麻醉。然后她将一根天线的两端都切掉，并将每根都连接到一根连接电路的细线。“很像心脏监测器，它测量心脏跳动时产生的电压，我们测量天线闻到气味时产生的电信号，”该杂志最近一篇论文的第一作者安德森说描述研究的生物灵感和仿生学。“非常相似的是，天线将产生这些尖峰状脉冲以响应气味斑块。”

将钻机安装在小型开源 Crazyflie 四旋翼飞行器上，您就拥有了一台混合动物机器。分离的飞蛾天线可以持续存活长达四个小时，让无人机有足够的时间嗅出气味。

安德森和她的同事更进一步，对 Smellicopter 进行了编程，使其能够像真正的飞蛾一样寻找气味。如果您能闻到某种气味，则很有可能是气味源在您的上风向。像飞蛾这样的昆虫也是如此，它们会做一种叫做侧风投射的事情，在这种情况下，它们锁定可能是逆风的源头并朝它飞去，然后根据需要向左或向右移动身体以保持对气味的瞄准。安德森的团队训练 Smellicopter 做同样的事情。“如果风向改变，或者你飞得有点偏离航线，那么你就会失去气味，”安德森说。“所以你施展侧风试图恢复那条小径。通过这种方式，Smellicopter 离气味源越来越近。”

研究人员将其称为“投射和涌动”算法：无人机向气味移动——在实验室中，他们使用了花化合物的混合物——如果它失去气味就向左或向右大头钉，然后一旦锁定就向前冲再次。无人机还配备了激光传感器，可以在它四处嗅探时检测并避开障碍物。

它是否有效：研究人员发现 Smellicopter 100% 的时间都能到达气味的来源。这在很大程度上是由于飞蛾触角的极端敏感性，它可以检测到微小的气味，不是百万分之一或十亿分之一，而是万亿分之一。飞蛾通过物理学进一步提高了它的效率：当它扇动翅膀时，它会在触角上循环空气，帮助采样更多的气味。在这里，研究人员也从大自然中汲取灵感，使用四旋翼飞行器的旋转叶片在他们借来的天线上移动更多空气。

当然，目前人类可能对嗅出花朵的飞蛾无人机没有太大用处，因此研究人员正在探索使用基因编辑的方法来创造具有触角的飞蛾，这种飞蛾可以感知与炸弹相关的气味。但是，这些科学蛾对人造材料的气味是否可能像普通飞蛾对潜在配偶的信息素和花的气味一样敏感？也就是说，研究人员能否重新调整数亿年来进化为飞蛾完善的嗅觉？

“从理论上讲，你可以获得更高的灵敏度，”安德森说，“因为飞蛾的触角可以感知各种不同的化学物质，就像我们可以闻到各种不同的东西一样。” 她的实验室的想法是对飞蛾天线进行基因工程，使其充满与感知所需化学物质有关的特定蛋白质。这会将天线的力量集中在一种气味上，而不是很多。

不过，目前 Smellicopter 的局限性之一是，虽然它们最多可以使用四个小时，但无实体的飞蛾触角平均只能存活两个小时。无人机的续航时间更短——一次充电最多 10 分钟——因此电池寿命实际上是一个更大的问题。在储存方面，研究人员发现天线在冷藏时可以使用一周，甚至更长时间。这不是很多时间，但“它比冠状病毒疫苗更容易传播和运输，”华盛顿大学生物学家和神经科学家、新论文的合著者托马斯丹尼尔说。

也许未来的机器将利用人类工程学和进化工程学的精华；毕竟，我们人类还没有发明一种气味传感器的灵敏度接近飞蛾的灵敏度。（虽然研究人员曾试图制造一个能像狗一样闻到气味的机器人来检测癌症。）“我认为这是一个强大的概念，”苏黎世大学机器人专家 Antonio Loquercio 说，他研究无人机导航，但并未参与这项新工作。“大自然为我们提供了大量生物体的例子，它们的生命依赖于这种能力。这也可能对自动机器产生强烈影响——不仅仅是无人机——它们可以使用气味来寻找地震后的幸存者，或者可以识别人造环境中的气体泄漏。”

听着，嗅探犬可以说是最好的工作犬，但它们有局限性。爬过瓦砾寻找地震幸存者是一项危险的工作，无论是对狗还是人类饲养员来说都是如此。飞蛾无人机可以更安全地导航危险的搜索场景。“此外，”安德森说，“无人机也能够探索垂直空域，并且可以在大型工业设施中寻找气体泄漏，狗可能难以导航或手持传感器很难到达。”

所以，感谢你们，勇敢的飞蛾，你们的牺牲。愿您永远作为 Smellicopters 生活。

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编辑： yujeu