|
Биогибридный беспилотник использует живые антенны
|
|
|
|
Японские исследователи недавно представили биогибридный беспилотник с усиками живой бабочки-шелкопряда, позволяющий ему ориентироваться и обнаруживать запахи с беспрецедентной точностью. Разработка, разработанная командой из университетов Шиншу и Тиба в Японии, знаменует собой значительный шаг вперед в области навигации на основе запахов. Она предлагает многообещающие приложения для реагирования на стихийные бедствия, мониторинга окружающей среды и других областей, где визуальные датчики не работают. Результаты исследований были недавно опубликованы в журнале NPJ Robotics.
|
|
|
|
“В этом исследовании мы стремимся использовать динамические движения и механизмы живых организмов, чтобы значительно повысить эффективность наших дронов, отслеживающих запахи”, - говорится в пресс-релизе соавтора исследования и доцента Университета Шиншу доктора Дайго Теруцуки. “Мы инициировали это исследование, полагая, что эти достижения позволят более эффективно обнаруживать запахи и расширят возможности их применения в спасательных операциях”.
|
|
|
|
Традиционные дроны для навигации в окружающей среде в значительной степени полагаются на визуальные датчики, такие как камеры и ЛиДАР. Несмотря на эффективность в контролируемых условиях, эти датчики могут работать в неблагоприятных условиях, таких как недостаточная освещенность, запыленность или задымленность, которые часто встречаются в районах, пострадавших от стихийных бедствий.
|
|
|
|
|
|
|
Кроме того, визуальные датчики по своей сути ограничены в обнаружении препятствий. Они не могут идентифицировать невидимые угрозы, такие как утечки газа или разливы опасных химических веществ. Обнаружение запаха представляет сложную задачу для искусственных датчиков, поскольку воспроизведение чувствительности и избирательности биологических обонятельных систем уже давно является препятствием в робототехнике и сенсорных технологиях.
|
|
|
|
В поисках решения исследовательская группа обратилась к природе, сосредоточив внимание на шелкопряде, насекомом, известном своим острым обонянием. Самцы шелкопряда могут улавливать феромоны, выделяемые самками, на значительном расстоянии, руководствуясь своими высокочувствительными антеннами, которые снабжены многочисленными нейронами-обонятельными рецепторами, способными улавливать мельчайшие химические сигналы в окружающей среде.
|
|
|
|
Интегрируя эти естественные датчики в биогибридный беспилотник, исследователи стремились создать систему, которая могла бы сочетать мобильность современной робототехники и возможности обработки данных с чувствительностью естественных обонятельных систем.
|
|
|
|
Разработка биогибридного беспилотника включала в себя несколько важных этапов. Сначала команда тщательно извлекла усики у самцов шелкопряда, обеспечив сохранность их нейронов обонятельных рецепторов.
|
|
|
|
Затем эти извлеченные антенны были подключены к системе электроантеннографии (EAG), которая измеряет электрические реакции антенн на запахи. Затем устройство было установлено на беспилотник, чтобы биологический компонент мог взаимодействовать с системами управления беспилотника.
|
|
|
|
Данные системы EAG обрабатывались в режиме реального времени для определения наличия и концентрации специфических запахов. Навигационные алгоритмы дрона были адаптированы для реагирования на эти обонятельные сигналы, что позволило ему двигаться к обнаруженному источнику запаха или от него.
|
|
|
|
Одной из важных задач, решенных в ходе исследования, была оптимизация конструкции электрода и корпуса для защиты антенн от внешних повреждений. Исследователи экспериментировали с различными материалами и конструкциями, чтобы сбалансировать чувствительность и долговечность.
|
|
|
|
Исследователи успешно продемонстрировали, что небольшой биогибридный беспилотник с внешним диаметром примерно полфута (0,1 метра) может обнаружить источник запаха с расстояния 16 футов (5 метров). Это знаменует собой значительное улучшение по сравнению с предыдущими биогибридными дронами, которые, как правило, были ограничены дальностью поиска в 7,5 футов (2 метра) или менее.
|
|
|
|
Исследователи фактически удвоили дальность поиска, внедрив алгоритм ступенчатого поворота, включающий стратегические паузы, и усовершенствовав корпус датчика для улучшения обнаружения запахов.
|
|
|
|
Этот прорыв подчеркивает потенциал биогибридных беспилотных летательных аппаратов для работы в более обширных и сложных условиях, что делает их пригодными для применения в реальных условиях, где традиционные методы навигации неэффективны.
|
|
|
|
Успешная интеграция антенн тутового шелкопряда в функциональную платформу биогибридных беспилотных летательных аппаратов открывает множество практических возможностей.
|
|
|
|
В сценариях реагирования на стихийные бедствия, такие как землетрясения или промышленные аварии, биогибридный беспилотник может обнаруживать утечки газа или разливы опасных химических веществ, невидимые для визуальных датчиков, помогая в быстрой оценке и реагировании. Беспилотник также может быть использован для мониторинга окружающей среды, отслеживания загрязняющих веществ или дикой природы путем определения определенных биологических маркеров или феромонов.
|
|
|
|
Кроме того, при проведении поисково-спасательных операций биогибридный беспилотник может улавливать запахи человека, что помогает находить людей, оказавшихся под завалами или заблудившихся в труднодоступной местности.
|
|
|
|
Хотя текущая модель представляет собой значительный шаг вперед, исследователи признают необходимость дальнейшего развития. Будущие модификации направлены на повышение долговечности и надежности биологических компонентов, возможно, с помощью генной инженерии или синтетического воспроизведения сенсорных возможностей антенн.
|
|
|
|
Однако использование живых биологических компонентов в робототехнике поднимает ряд этических и практических вопросов. Например, извлечение усиков у живых бабочек связано с соображениями благополучия насекомых и устойчивости такой практики в случае ее широкого применения.
|
|
|
|
Кроме того, интеграция биологических компонентов требует решения проблем, связанных с их сохранностью, восприимчивостью к факторам окружающей среды и возможной деградацией. Разработка протоколов технического обслуживания и защитных кожухов будет иметь решающее значение для внедрения биогибридных беспилотных летательных аппаратов в реальных условиях.
|
|
|
|
Помимо этого, остаются практические задачи, в том числе обеспечение долгосрочной стабильности биологических компонентов и оптимизация их интеграции с электронными системами беспилотника.
|
|
|
|
В конечном счете, объединение биологических сенсорных систем с роботизированными платформами представляет собой преобразующий подход к эволюции беспилотных летательных аппаратов.
|
|
|
|
Используя природное обоняние шелкопряда, исследователи продемонстрировали новый способ преодоления ограничений традиционных сенсоров.
|
|
|
|
По мере развития этой технологии она способна произвести революцию в самых разных областях - от реагирования на стихийные бедствия до охраны окружающей среды, подчеркивая огромные возможности на стыке биологии и инженерии.
|
|
|
|
“Традиционно поисково-спасательные работы основывались на ручном визуальном поиске из-за отсутствия окончательной технологии, способной эффективно определять местонахождение людей, терпящих бедствие”, - заключил доктор Теруцуки. - Усовершенствованный биогибридный беспилотник, разработанный в рамках этого исследования, потенциально может позволить спасателям быстро находить выживших, отслеживая запахи, что в конечном итоге спасет больше жизней, когда дорога каждая секунда”.
|
|
|
|
Источник
|
