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一种无人驾驶无人机,它利用飞蛾的现场天线引导气味
2021年04月18日    阅读量:2810     新闻来源:中国机械网 okmao.com    |  投稿

无人机的一大优势是,这些小型机器人可以到达人们无法到达的地方,包括可能过于危险的区域,例如自然灾害后的不稳定结构或未爆炸设备的区域。


研究人员对开发可通过嗅探空气中的化学物质以定位灾难幸存者,瓦斯泄漏,爆炸物等的设备来应对这些情况的设备感兴趣。但是,大多数人创造的传感器不够灵敏或不够快,无法在飞过这些来源产生的斑驳气味时,找到并处理特定的气味中国机械网okmao.com


现在,由华盛顿大学领导的团队开发了Smellicopter:一种自动无人机,它利用飞蛾的现场天线引导气味。直升飞机在空中飞行时,还可以感知并避开障碍物。该小组于10月1日在IOP Bioinspiration&Biomimetics杂志上发表了这些结果。


威斯康星大学机械工程学博士生梅兰妮·安德森(Melanie Anderson)说:“自然真的将我们的人造气味传感器从水中吹了出来。” “通过在Smellicopter上使用实际的飞蛾天线,我们可以兼得两全:在可以控制其运动的机器人平台上,生物的敏感性。”


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蛾子利用触角感应周围环境中的化学物质,并导航到食物来源或潜在伴侣。


密西根大学生物学教授,共同监督安德森博士研究的托马斯·丹尼尔(Thomas Daniel)说:“飞蛾天线中的细胞会放大化学信号。” “飞蛾能真正有效地做到这一点-一种气味分子可以触发许多细胞反应,这就是诀窍。这个过程非常高效,特异且快速。”


该团队使用了Manduca sexta hawkmoth的触角来制造Smellicopter。研究人员将飞蛾放在冰箱中进行麻醉,然后再拆下天线。一旦与飞蛾分开,天线将在生物和化学上保持长达四个小时的活性。研究人员说,通过将天线存放在冰箱中,可以延长时间间隔。


通过在天线的两端添加细线,研究人员能够将其连接到电路,并测量天线中所有单元的平均信号。然后,该团队将其与典型的人造传感器进行了比较,方法是将其放置在风洞的一端,并飘散两种传感器都会响应的气味:花香和乙醇(一种酒精)。天线反应更快,并且在抽吸之间恢复所需的时间更少。


为了创建Smellicopter,该团队将天线传感器添加到了开源的手持式商用四轴无人机平台上,该平台允许用户添加特殊功能。研究人员还在无人机的背面增加了两个塑料鳍片,以产生阻力,以帮助其不断地在上风向。


“从机器人学的角度来看,这是个天才,” UW的机械工程助理教授Sawyer Fuller说。“机器人技术中的经典方法是添加更多的传感器,或者构建奇特的算法或使用机器学习来估计风向。事实证明,您所需要做的就是添加一条鳍。”


Smellicopter不需要研究人员的任何帮助来寻找气味。该团队为无人机创建了“浇铸和浪涌”协议,该协议模仿了飞蛾寻找气味的方式。Smellicopter通过向左移动特定距离开始搜索。如果没有任何东西超过特定的气味阈值,则Smellicopter然后向右移动相同的距离。一旦检测到异味,它就会改变其飞行模式向其猛增。


Smellicopter还可以借助四个红外传感器来避开障碍物,该传感器每秒可以对周围的物体进行10次测量。当某物进入距无人机约八英寸(20厘米)的范围内时,它会转到下一阶段的抛物线和浪涌方案中来改变方向。


“因此,如果Smellicopter向左投射,而现在左侧有障碍物,它将切换为向右投射,” Anderson说。“而且,如果Smellicopter闻到一股气味,但前方有障碍物,它将继续向左或向右投射,直到在没有障碍物的情况下能够向前扑腾。”


该团队说,Smellicopter的另一个优势是它不需要GPS。取而代之的是,它使用照相机来调查周围的环境,类似于昆虫如何使用它们的眼睛。这使Smellicopter非常适合探索矿山或管道等室内或地下空间。


在威斯康星大学研究实验室进行的测试中,Smellicopter经过了自然调校,可以飞向蛾类感兴趣的气味,例如花香。但是研究人员希望,未来的工作可以使飞蛾天线感知到其他气味,例如被困在瓦砾中的人呼出的二氧化碳或未爆炸装置的化学特征。


富勒说:“对于像Smellicopter和Robofly这样的小型机器人来说,寻找烟羽源是一项完美的任务。” “大型机器人能够携带一系列不同的传感器,并使用它们来构建自己的世界地图。我们不能真正在小范围内做到这一点。但是要找到羽状流的源头,机器人真正需要的全部东西要做的是避免障碍物并在顺风时留在羽状流中。它不需要复杂的传感器套件,只需要能够闻起来很香即可。这正是Smellicopter真正擅长的。”


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