Q&A :Smellicopter utilise une antenne de papillon vivant pour rechercher les odeurs

Qui a besoin d'un capteur du fabricant ? Des chercheurs de l'Université de Washington ont équipé leur drone d'un des meilleurs détecteurs de la nature :une antenne papillon.

"La nature souffle vraiment nos capteurs d'odeurs artificiels hors de l'eau", a déclaré Melanie Anderson, doctorante à l'UW , chercheur principal du véhicule aérien connu sous le nom de "Smellicopter".

"En utilisant une véritable antenne papillon avec Smellicopter, nous sommes en mesure d'obtenir le meilleur des deux mondes :la sensibilité d'un organisme biologique sur une plate-forme robotique où nous pouvons contrôler son mouvement."

L'antenne en direct répond aux signaux chimiques, permettant au véhicule volant de naviguer vers des odeurs spécifiques. L'équipe a ajouté le capteur d'antenne à un quadricoptère portatif open source disponible dans le commerce plate-forme, ainsi que deux ailerons arrière en plastique pour créer une traînée et garder le drone orienté au vent.

Anderson et ses collègues chercheurs se sont tournés vers Manduca sexta hawkmoths pour leur plate-forme robotique volante, plaçant les papillons de nuit dans un réfrigérateur pour les anesthésier avant de retirer une antenne. L'antenne, une fois prise, reste active jusqu'à quatre heures, et cette plage de temps peut être prolongée si elle est conservée plus longtemps au réfrigérateur, selon les inventeurs de l'UW.

Après avoir ajouté de minuscules fils à chaque extrémité de l'antenne, les chercheurs ont connecté l'appendice à un circuit électrique et mesuré le signal moyen de toutes les cellules de l'antenne. L'antenne Smellicopter a capté les odeurs florales et l'éthanol plus rapidement (et a pris moins de temps à récupérer) qu'un capteur fabriqué par l'homme testé par les ingénieurs Smellicopter.

L'équipe a publié ses résultats le 1er octobre dans la revue IOP Bioinspiration &Biomimetics .

Le Smellicopter utilise un protocole connu sous le nom de "cast and surge" pour imiter la façon dont les papillons de nuit trouvent des odeurs spécifiques. Le drone UW commence à gauche pour une distance spécifique. Si aucune odeur n'est détectée, le copter se déplace vers la droite sur la même distance. Une fois que le Smellicopter détecte une odeur, il change son schéma de vol et se dirige vers l'objet d'intérêt.

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Une caméra et quatre capteurs infrarouges guident le drone, mesurant les obstacles à proximité à une fréquence de dix fois par seconde. Lorsqu'un objet est détecté à moins de 8 pouces de l'appareil, le drone change de direction en passant à l'étape suivante "cast-and-surge".

"Donc, si Smellicopter lançait à gauche et qu'il y a maintenant un obstacle sur la gauche, il passera à la coulée à droite", a déclaré Anderson. "Et si Smellicopter sent une odeur mais qu'il y a un obstacle devant lui, il va continuer à lancer à gauche ou à droite jusqu'à ce qu'il soit capable d'avancer lorsqu'il n'y a pas d'obstacle sur son chemin."

Lors des tests dans le laboratoire de recherche de l'UW, Smellicopter a été naturellement réglé pour voler vers les odeurs que les papillons trouvent intéressantes, comme les parfums floraux. Mais les chercheurs espèrent que des travaux futurs pourraient permettre à l'antenne du papillon de nuit de détecter d'autres odeurs, telles que l'expiration de dioxyde de carbone d'une personne coincée sous les décombres ou la signature chimique d'un engin non explosé.

Dans une courte séance de questions-réponses ci-dessous, Anderson explique comment fonctionne le Smellicopter et où il fonctionne le mieux.

Fiches techniques  :Qu'est-ce qui a inspiré le choix d'utiliser une antenne en direct ? J'imagine que c'était une sorte d'idée "prête à l'emploi" par rapport à l'ajout habituel d'un capteur.

Mélanie Anderson : La mesure du signal électrique d'une antenne papillon (un électroantennogramme) a en fait déjà été effectuée dans le cadre de recherches. Nous ne sommes que les premiers à combiner cela avec une petite plateforme robotique volante ! L'antenne papillon est beaucoup plus sensible que n'importe quel capteur chimique commercial portable. De plus, il est léger et peu puissant, parfait pour une petite plate-forme de drone.

Fiches techniques :Pouvez-vous nous raconter la journée où vous l'avez testé pour la première fois ? Vous avez mentionné dans la vidéo UW [montré ci-dessus dans cet article] que c'était très excitant et que vous n'étiez pas sûr que ça allait marcher. Qu'est-ce qui vous préoccupait le plus et qu'avez-vous ressenti ce jour-là ?

Mélanie Anderson : L'antenne produit également des signaux en réponse au mouvement et au toucher (stimulus mécanique) ainsi qu'à l'odeur. On craignait que les vibrations des rotors et le flux d'air supplémentaire que les rotors fournissent sur l'antenne ne rendent difficile la séparation des détections d'odeurs. Mais la réponse à l'odeur est beaucoup plus forte que les autres signaux, et l'antenne fonctionne extrêmement bien dans notre configuration sur le drone.

Nous étions tous très heureux que cela ait fonctionné ce jour-là ! C'était très valorisant que nos efforts pour créer le circuit qui lit les signaux de l'antenne et le combinent avec la plate-forme du drone se soient déroulés pour produire un résultat aussi excitant !

Fiches techniques :L'antenne détecte un signal chimique - comment cela informe-t-il ensuite sur la direction du drone ? Est-ce juste suite à une forte odeur? Peut-il différencier les odeurs d'une manière ou d'une autre ?

Mélanie Anderson : Comme un moniteur cardiaque montre le signal électrique du cœur pendant qu'il bat, l'antenne produit également ces signaux électriques ressemblant à des impulsions lorsqu'elle sent une odeur. Nous pouvons insérer de petits fils dans l'antenne pour mesurer ce signal et voir les impulsions en réponse à l'odeur. Ces impulsions informent le drone du moment où l'antenne sent quelque chose. Pour l'instant, l'antenne répond le plus fortement au parfum floral et à la phéromone du papillon de nuit, mais nous travaillons sur la modification génétique du papillon de nuit afin qu'il soit sensible à d'autres parfums et puisse être utilisé dans des scénarios tels que la localisation de bombes ou la recherche de survivants piégés lors d'une catastrophe. .

De nombreux animaux différents qui recherchent les odeurs le font en se fiant à la direction du vent. Vous pouvez supposer en toute sécurité que si vous sentez une odeur, la source de cette odeur sera sous le vent, car l'odeur est transportée par le vent. De cette façon, lorsque vous sentez une odeur, vous voyagez contre le vent, et lorsque vous perdez cette odeur, vous voyagez par vent de travers jusqu'à ce que vous repreniez le sentier. Le drone en fait une version simplifiée où il s'oriente passivement vers le vent en utilisant les ailerons à l'arrière du drone comme des girouettes, puis se précipite vers l'avant lorsqu'il rencontre une odeur. Lorsqu'il ne sent plus cette odeur, il lance à gauche et à droite jusqu'à ce qu'il sente à nouveau l'odeur.

Fiches techniques  :Quelle est la prochaine étape pour vous et votre équipe concernant cette recherche ?

Mélanie Anderson : Nous sommes très enthousiastes à l'idée de travailler sur l'ingénierie génétique des antennes de papillons nocturnes pour rendre le Smellicopter utile dans une variété de scénarios. Pour ma recherche doctorale, j'explorerai également des méthodes de recherche basées sur la simulation afin que le Smellicopter puisse voler efficacement dans différents espaces tels que ceux avec des obstacles.

Fiches techniques  :Quelle application vous passionne le plus ?

Mélanie Anderson : La recherche et le sauvetage sont très excitants. Il s'agit d'une application où nous utilisons actuellement la nature sous la forme de chiens renifleurs plutôt que de capteurs d'odeurs artificiels pour trouver des personnes piégées. Si nous pouvions utiliser un petit drone, ou un essaim de petits drones, pour trouver ces personnes piégées à la place, nous serions en mesure de les localiser plus rapidement et de garder les chiens de recherche et les secouristes hors de danger.

Lire les recherches de l'équipe UW dans la revue IOP Bioinspiration &Biomimetics .

Que pensez-vous du Smellicopter ? Partagez vos questions et commentaires ci-dessous.