使用飞蛾天线追踪气味无人机的工作原理分析

更新时间:2021-01-30 12:39 作者:皇冠足彩

  在我们更好地制造化学传感器之前,利用生物学是我们能做的最好的事情,而最理想的是某种机器人与动物混合的机械人。

  对机器人传感的研究,一直都以人为中心的。我们大多数人都是通过视觉和3D来导航和体验世界,所以机器人往往会被摄像头和激光雷达等东西覆盖。触摸对我们来说很重要,声音也一样,所以机器人对触觉和听觉信息的理解也越来越好。

  在大多数情况下,嗅觉对我们来说传递的信息并没有那么多,所以虽然它在机器人技术中并没有完全被忽略,但在大多数情况下,它肯定不是首选的传感方式。

  嗅觉传感的部分问题在于,从技术角度来看,我们没有一个好的方法来实现它。长期以来,这一直是一个挑战,这也是为什么我们要么贿赂,要么欺骗狗、老鼠、秃鹫等动物,让它们成为我们对空气中化学物质的感应系统。如果它们能一直完全按照我们的要求去做,这就好了,但它们没有,所以不是。

  在我们更好地制造化学传感器之前,利用生物学是我们能做的最好的事情,而最理想的是某种机器人与动物混合的机械人。我们已经看到了一些远程控制昆虫的尝试,但事实证明,如果你不使用整个昆虫,而只是找到一种方法来使用它的传感系统,你可以简化事情。

  这便是今天我们要说的Smellicopter无人机——使用飞蛾天线追踪气味的无人机。

  说实话,关于无人机本身,没什么好说的。它是一个名为Crazyflie 2.0的开源无人机项目,还额外增加了一些现成的传感器,用于避障和稳定。有趣的地方是几个被动鳍,让无人机一直指向风中,然后是传感器,叫做电天线图。

  无人机的传感器,被称为电子天线图,由一只Manduca sexta鹰蛾的单根切除天线和一个定制信号处理电路组成

  要制作这样的传感器,你只需要从一只活的鹰蛾身上收获一根天线。蛾子的天线是中空的,这意味着你可以把电极贴上去。每当天线中的嗅觉神经元(虽然它不再附着在飞蛾身上,但技术上仍然活着)遇到它们正在寻找的气味时,它们就会产生电极接收到的电信号。将电极的另一端插入电压放大器和滤波器,通过模数转换器运行,你就得到了一个重量只有1.5克、功耗只有2.7毫瓦的化学传感器。它的灵敏度明显高于传统的金属氧化物气味传感器,而且体积更小,效率更高,是无人机的理想选择。

  为了定位气味,Smellicopter使用了一种简单的生物启发方法,称为横风投掷,这涉及到横向左右移动,然后在检测到气味时向前移动。下面是它的工作原理:

  飞行器起飞到40厘米的高度然后悬停10秒,让它有时间定位到上风向。嗅觉飞机开始向左和右横风投掷。当检测到挥发性化学物质时,嗅探器会在上风处激增25厘米,然后继续投掷。只要风向相当一致,这种策略将使昆虫或机器人每次激增越来越接近单一来源。

  由于气味是在空气中传播的,它们需要一点微风才能传播得很远,而Smellicopter除非在源头的下风处,否则无法探测到它们。但是,这就是气味的工作原理--即使你就在源头旁边,如果风从你这里吹向源头,而不是反过来,你也可能闻不到它的气味。

  每当天线中的嗅觉神经元遇到它们要找的气味时它们就会产生一个电信号,电极就会接收到这个信号。

  这种传感器还有一些其他的限制因素也要牢记。首先,它不是检测有用的东西(比如爆炸物),而是要检测漂亮花的气味,因为飞蛾喜欢漂亮的花。其次,天线会在几个小时内对你死心,因为它只有在组织还活着并比喻为踢的时候才会发挥作用。有趣的是,也许可以利用基于CRISPR的遗传修饰来培育出对有用气味有反应的天线的飞蛾,这将是一个绝妙的窍门。


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