一种使用活蛾天线寻找气味的避障无人机

无人机的一大优势是，这些小型机器人可以去人类无法到达的地方，包括可能太危险的区域，例如自然灾害后不稳定的结构或有未爆炸装置的区域。研究人员有兴趣开发可以通过嗅出空气中的化学物质来定位灾难幸存者、气体泄漏、爆炸物等情况的设备。但是，人们制造的大多数传感器都不够灵敏或速度不够快，无法在飞过这些来源产生的不规则气味羽流时发现和处理特定气味。

由华盛顿大学领导的一个团队开发了Smellicopter：一种自主无人机，它使用飞蛾的活天线来导航气味。此处显示的是主要作者MelanieAnderson，机械工程博士生，手持Smellicopter。图片来源：MarkStone/华盛顿大学

现在，由华盛顿大学领导的一个团队开发了Smellicopter：一种自主无人机，它使用飞蛾的活天线来导航气味。Smellicopter还可以在空中飞行时感知并避开障碍物。该团队在IOPBioinspiration&Biomimetics杂志上发表了这些结果。

“大自然真的把我们人造的气味传感器从水中吹了出来，”主要作者、华盛顿大学机械工程博士生梅兰妮·安德森说。“通过使用带有Smellicopter的实际飞蛾天线，我们能够两全其美：在机器人平台上我们可以控制其运动的生物有机体的敏感性。”

飞蛾用它的触角感知环境中的化学物质，并导航到食物来源或潜在的配偶。

“飞蛾天线中的细胞会放大化学信号，”合著者、华盛顿大学生物学教授、共同监督安德森博士研究的托马斯丹尼尔说。“飞蛾的效率非常高——一个气味分子可以触发大量的细胞反应，这就是诀窍。这个过程非常高效、具体且快速。”

该团队为Smellicopter使用了来自Manducasextahawkmoth的天线。研究人员将飞蛾放在冰箱中以麻醉它们，然后再取下天线。一旦与活蛾分离，触角在生物和化学上保持活跃长达四个小时。研究人员说，通过将天线存放在冰箱中，可以延长这个时间跨度。

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来自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比较，将两者放置在风洞的一端，并散发出两个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，在抽吸之间恢复所需的时间更短。

通过在天线的两端添加细线(电弧连接在这里)，研究人员能够将其连接到电路并记录其响应。图片来源：MarkStone/华盛顿大学

为了创建Smellicopter，该团队将天线传感器添加到开源手持式商用四轴飞行器无人机平台，允许用户添加特殊功能。研究人员还在无人机的背面添加了两个塑料尾翼，以产生阻力，以帮助它不断地逆风定向。

“从机器人学的角度来看，这是天才，”合著者兼联合顾问、华盛顿大学机械工程助理教授索耶富勒说。“机器人技术的经典方法是添加更多传感器，并且可能构建一个奇特的算法或使用机器学习来估计风向。事实证明，您只需要添加一个鳍。”

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一个“投射和浪涌”协议，模仿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，Smellicopter就会向右移动相同的距离。一旦它检测到气味，它就会改变飞行模式向它猛扑过去。

Smellicopter还可以借助四个红外传感器避开障碍物，每秒测量10次周围的物体。当某物进入无人机约8英寸(20厘米)范围内时，它会通过进入其投射和浪涌协议的下一阶段来改变方向。

“因此，如果Smellicopter向左投射，而现在左边有障碍物，它会切换到向右投射，”安德森说。“如果Smellicopter闻到一股气味，但它前面有障碍物，它会继续向左或向右投射，直到它在路径上没有障碍物的情况下能够向前推进。”

该团队表示，Smellicopter的另一个优势是它不需要GPS。相反，它使用相机来调查周围环境，类似于昆虫使用眼睛的方式。这使得Smellicopter非常适合探索室内或地下空间，如矿山或管道。

在UW研究实验室的测试中，Smellicopter自然地调整为飞向飞蛾感兴趣的气味，例如花香。但研究人员希望未来的工作可以让飞蛾触角感知其他气味，例如被困在瓦砾下的人呼出的二氧化碳或未爆炸装置的化学特征。

“对于像Smellicopter和Robofly这样的小型机器人来说，寻找羽流源是一项完美的任务，”富勒说。“较大的机器人能够携带一系列不同的传感器，并使用它们来构建他们的世界地图。我们真的不能在小规模上做到这一点。但是为了找到羽流的来源，机器人真正需要做的就是避开障碍物并在逆风移动时留在羽流中。它不需要复杂的传感器套件——它只需要能够很好地闻起来。而这正是Smellicopter真正擅长的地方。”

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