Drone Smellicopter Usa Antena de Mariposa para Detectar Odores, Superando Sensores Artificiais

Quem precisa de um sensor do fabricante? Pesquisadores da Universidade de Washington equiparam seu drone com um dos melhores detectores da natureza: uma antena de mariposa.

"A natureza realmente supera nossos sensores de odor feitos por humanos", disse a doutoranda da UW Melanie Anderson , pesquisadora principal do veículo aéreo conhecido como "Smellicopter".

"Ao usar uma antena de mariposa real com o Smellicopter, somos capazes de obter o melhor dos dois mundos: a sensibilidade de um organismo biológico em uma plataforma robótica onde podemos controlar seu movimento."

A antena viva responde a sinais químicos, permitindo que o veículo voador navegue em direção a odores específicos. A equipe adicionou o sensor de antena a uma plataforma quadricóptero comercial de mão de código aberto , junto com duas barbatanas plásticas traseiras para criar arrasto e manter o drone orientado a favor do vento.

Anderson e colegas pesquisadores recorreram a mariposas Manduca sexta para sua plataforma robótica voadora, colocando as mariposas em um refrigerador para anestesiá-las antes de remover uma antena. A antena, uma vez removida, permanece ativa por até quatro horas, e esse tempo pode ser estendido se armazenada por mais tempo no refrigerador, segundo os inventores da UW.

Após adicionar minúsculos fios em ambas as extremidades da antena, os pesquisadores conectaram o apêndice a um circuito elétrico e mediram o sinal médio de todas as células da antena. A antena do Smellicopter captou aromas florais e etanol mais rapidamente — e levou menos tempo para recuperar — que um sensor artificial testado pelos engenheiros do Smellicopter.

A equipe publicou seus resultados em 1 de outubro no jornal IOP Bioinspiration & Biomimetics .

O Smellicopter usa um protocolo conhecido como "cast and surge" (lançar e avançar) para imitar como mariposas encontram odores específicos. O drone da UW começa à esquerda por uma distância específica. Se um cheiro não é detectado, o copter move para a direita pela mesma distância. Uma vez que o Smellicopter detecta um odor, muda seu padrão de voo e move em direção ao objeto de interesse.

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Uma câmera e quatro sensores infravermelhos guiam o UAV, medindo obstáculos próximos a uma taxa de dez vezes por segundo. Quando um objeto é detectado dentro de 8 polegadas do dispositivo, o drone muda de direção indo para o próximo estágio "cast-and-surge".

"Então, se o Smellicopter estava lançando à esquerda e agora há um obstáculo à esquerda, ele mudará para lançar à direita", disse Anderson. "E se o Smellicopter cheira um odor mas há um obstáculo na frente, ele vai continuar lançando à esquerda ou direita até que possa avançar quando não houver obstáculo em seu caminho."

Durante testes no laboratório de pesquisa da UW, o Smellicopter era naturalmente sintonizado para voar em direção a cheiros que mariposas acham interessantes, como aromas florais. Mas pesquisadores esperam que trabalho futuro possa fazer a antena de mariposa sentir outros cheiros, como a exalação de dióxido de carbono de alguém preso sob escombros ou a assinatura química de um dispositivo não explodido.

Em um breve Q&A abaixo, Anderson explica mais sobre como o Smellicopter funciona, e onde funciona melhor.

Tech Briefs: O que inspirou a escolha de usar uma antena viva? Imagino que isso foi uma ideia "fora da caixa" comparada à adição usual de um sensor.

Melanie Anderson: Medir o sinal elétrico de uma antena de mariposa (um eletroantenograma) já foi feito em pesquisa antes. Nós somos apenas os primeiros a combinar isso com uma pequena plataforma robótica voadora! A antena de mariposa é muitas vezes mais sensível que qualquer sensor químico portátil comercial. Adicionalmente, é leve e de baixa potência — perfeito para uma plataforma de drone pequeno.

Tech Briefs: Pode nos levar através do dia que você testou pela primeira vez? Você mencionou no vídeo da UW [mostrado acima neste artigo] que foi muito empolgante e que você não tinha certeza que ia funcionar. O que você estava mais preocupado, e como você sentiu que ele performou naquele dia?

Melanie Anderson: A antena também produz sinais em resposta a movimento e toque (estímulo mecânico) assim como odor. Havia preocupações que as vibrações dos rotores e o fluxo extra de ar que os rotores fornecem sobre a antena tornariam difícil separar detecções de odor. Mas a resposta a odor é muito mais forte que os outros sinais, e a antena funciona extremamente bem em nossa configuração no drone.

Todos ficamos muito empolgados que funcionou naquele dia! Sentiu-se muito validador que nossos esforços para criar o circuito que lê os sinais da antena e combinar isso com a plataforma do drone resultou em um resultado tão empolgante!

Tech Briefs: A antena sente um sinal químico – como isso então informa para onde o drone vai? Ele apenas segue um cheiro forte? Ele pode de alguma forma diferenciar entre cheiros?

Melanie Anderson: Como um monitor cardíaco mostra o sinal elétrico do coração conforme ele bate, a antena também produz estes sinais elétricos tipo pulso quando cheira odor. Podemos inserir pequenos fios na antena para medir este sinal e ver os pulsos em resposta a odor. Estes pulsos informam o drone de quando a antena cheira algo. Por enquanto, a antena responde mais fortemente a aroma floral e feromônio de mariposa, mas estamos trabalhando em engenharia genética da mariposa para que ela seja sensível a outros cheiros e possa ser usada em cenários como localizar bombas ou encontrar sobreviventes presos em um desastre.

Muitos animais diferentes que buscam odores o fazem confiando na direção do vento. Você pode assumir com segurança que se você está cheirando odor, então a fonte desse odor estará a favor do vento de você, já que o odor é carregado pelo vento. Desta forma, quando você cheira odor, então você viaja a favor do vento, e quando perde aquele odor, então você viaja transversalmente ao vento até pegar a trilha novamente. O drone faz uma versão simplificada disso onde ele orienta passivamente a favor do vento usando as barbatanas na traseira do drone como cata-ventos, e então avança quando encontra odor. Quando não cheira mais aquele odor, então lança à esquerda e direita até cheirar o odor novamente.

Tech Briefs: O que vem a seguir para você e sua equipe sobre esta pesquisa?

Melanie Anderson: Estamos muito empolgados para trabalhar em engenharia genética das antenas de mariposa para tornar o Smellicopter útil em uma variedade de cenários. Para minha pesquisa de doutorado, também estarei explorando métodos de busca baseados em simulação para que o Smellicopter possa voar eficientemente em diferentes espaços como aqueles com obstáculos.

Tech Briefs: Qual aplicação é mais empolgante para você?

Melanie Anderson: Busca e resgate é muito empolgante. É uma aplicação onde atualmente usamos a natureza na forma de cães farejadores em vez de sensores de odor feitos por humanos para encontrar pessoas presas. Se fôssemos capazes de usar um drone minúsculo, ou um enxame de drones minúsculos, para encontrar estas pessoas presas em vez disso, seríamos capazes de localizá-las mais rápido e manter cães de busca e trabalhadores de resgate fora de perigo.

Leia a pesquisa da equipe da UW no jornal IOP Bioinspiration & Biomimetics .

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