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机器人与昆虫天生的传感器不匹配但是我们能否偷走它们并不重要

2021-07-23 来源:沧州机械信息网

机器人与昆虫天生的传感器不匹配,但是我们能否偷走它们并不重要

我可以理解,对机器人感应的研究非常以人为中心。我们大多数人都以视觉和3D方式浏览和体验世界,因此机器人往往会被照相机和激光雷达等物体遮盖住。

触摸对我们很重要,声音对我们很重要,因此机器人在理解触觉和听觉信息方面也变得非常出色中国机械网okmao.com。

闻到了吗?在大多数情况下,气味无法为我们传达几乎所有信息,因此尽管在机器人技术中并未完全忽略它,但在大多数情况下它当然不是所选择的传感方式。

从技术的角度来看,嗅觉检测的部分问题在于,我们只是没有一个很好的方法来做到这一点。

长期以来,这一直是一个挑战,这就是为什么我们贿赂或欺骗诸如狗,大鼠,秃鹰和其他动物之类的动物作为我们的航空化学物质传感系统的原因。

如果他们能一直做我们一直希望他们做的事情,那会很好,但他们不会,所以不是。

除非我们在制造化学传感器方面做得更好,否则利用生物学是我们所能做的最好的事情,而理想的情况将是某种机器人-动物的混合半机械人。

我们已经看到了一些尝试远程 控制 昆虫,但事实证明,您可以简化的东西,如果你不使用整个昆虫,而只是找到一种方法,使用它的传感系统。输入Smellicopter。

老实说,关于无人机本身,没有太多要说的。这是一个名为Crazyflie 2.0的开源无人机项目 ,另外还有一些现成的传感器,用于避障和稳定。有趣的是,有几个被动鳍将无人机对准风,然后是感应器,称为电子触角图。

旋翼无人机

无人机的传感器被称为电子前兆图,由曼杜克(Manduca)ta蛾的“单个切除天线”和定制信号处理电路组成。

要制造这些传感器中的一个,您只是,从一个活的鹰蛾中“收获”一根天线。蛾类天线必须是空心的,这意味着您可以将电极粘在上面。每当天线中的嗅觉神经元(即使不再附着在飞蛾上,即使在技术上仍是活着的)上遇到他们要寻找的气味时,它们都会产生电信号,使电极拾取。

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,您会得到一个化学传感器,其重量仅为1.5克,仅消耗2.7 mW的功率。它比传统的金属氧化物气味传感器灵敏得多,外形更小,效率更高,使其成为无人机的理想选择。

为了定位气味,Smellicopter使用一种简单的受生物启发的方法(称为侧风铸造),该方法涉及在检测到气味时左右横向移动,然后向前移动。运作方式如下:

车辆起飞到40厘米的高度,然后悬停十秒钟,使其有时间定向迎风。西风直升机开始施放左右侧风。当检测到挥发性化学物质时,直升飞机将在上风向25厘米处涌动,然后恢复浇铸。只要风向是相当一致的,这种策略就会使昆虫或机器人在每次喘振时都越来越接近单一来源。

由于气味是空气传播的,因此它们需要一点微风才能传播到很远的地方,除非顺风而下,否则Smellicopter将无法检测到它们。但是,这就是气味的工作方式-即使您就在源头旁边,如果风从您吹向源头,而不是反过来,您可能也不会闻到。

每当天线中的嗅觉神经元遇到他们想要的气味时,它们都会产生电信号,使电极拾取

该传感器还需要牢记其他一些限制。首先,它不是检测有用的东西(例如爆炸物),而是检测漂亮花朵的气味,因为蛾子喜欢漂亮的花朵。其次,天线实际上会在几个小时内落在你身上,因为它只有在其组织还活着并隐喻地踢着时才起作用。

有趣的是,有可能使用基于CRISPR的基因修饰来培育能对有用气味做出反应的触角飞蛾,这将是一个绝妙的窍门,我们请研究人员Melanie Anderson,大学机械工程学博士生西雅图的华盛顿州;

威斯康星大学生物学教授托马斯·丹尼尔(Thomas Daniel);和索耶·富勒(Sawyer Fuller),威斯康星大学机械工程系的助理教授-通过电子邮件与有关此问题以及其他一些急切的问题的联系。

IEEE Spectrum首先问了重要的问题:那么谁提出了“ Smellicopter”呢?

梅兰妮·安德森(Melanie Anderson):汤姆·丹尼尔(Tom Daniel)创造了“ Smellicopter”一词。另一个亚军是“ OdorRotor”!

通常,在气味定位方面,飞蛾比机器人好多少?

梅兰妮·安德森(Melanie Anderson):蛾类在气味检测和气味定位方面非常出色,因此必须寻找伴侣和食物。与任何便携式的人造气味传感器相比,它们的天线更加灵敏和专业。我们不能问问蛾类如何很好地寻找气味,但是能够在飞行平台上获得蛾类的气味敏感性是朝这个方向迈出的一大步。

汤姆·丹尼尔(Tom Daniel):我们最好的估计是,它们的性能至少比机器人感应技术高三个数量级。

Smellicopter的定位行为与真蛾的定位行为相比如何?

安德森(Anderson):强制性气味搜索策略是我们认为蛾(以及许多其他气味搜索动物)正在做的事情的简化版本。这是一种反应性策略,它依赖于以下知识:如果您检测到气味,则可以假定来源位于您的上游。当您检测到气味时,您只需往上风移动,而当丢失气味信号时,您将向侧风方向投射,直到重新获得该信号为止。

您能否详细说明CRISPR能够工程化用于检测特定化学物质的飞蛾的潜力?

安德森(Anderson): CRISPR目前已被用于修饰蛾类气味检测途径。我们的未来工作之一是专门使用它使天线对其他感兴趣的化学物质敏感,例如炸药的化学气味。

索耶·富勒(Sawyer Fuller):我们认为,使用飞蛾的天线除了其速度之外,其优点之一还在于它可以为获得高化学特异性和高灵敏度提供一条途径。通过只表达一种或几种化学传感器的优势,我们预计蛾类天线只会对这种化学物质产生强烈的响应。其他研究小组正在进行数种努力来制造这种特殊的,敏感的化学检测器。化学感应是一个领域,在效率,小尺寸和灵敏度方面,生物学超越了人造系统。因此,这就是为什么我们认为尝试利用已经存在的生物机制的方法具有某些优点的原因。

您提到使用冰可以将天线寿命延长几天-您认为这项技术在研究范围之外的可行性如何?

安德森(Anderson):天线可以存放在标准冰箱中的小瓶中,也可以仅用冰袋保存,以将其寿命延长至大约一周。另外,将天线附接到电路的过程是可教导的技能。在研究范围之外,这绝对是可行的。

考虑到传感器发展的轨迹,您认为这种生物传感器系统将比传统的替代系统胜过多长时间?

安德森: 很难说出将来会发生什么,但是目前,在任何市售的便携式传感器中,蛾状天线仍然脱颖而出。

有一些关于控制论昆虫的实验。与(例如)在飞蛾身上放置某种跟踪系统相比,您的方法的优点和缺点是什么?

丹尼尔:几年前,我是一个网络昆虫小组的成员。这类研究的挑战在于,动物对操纵或控制动物的尝试具有自然反应。

安德森:虽然飞蛾在气味追踪方面比目前的机器人更好,但无人机平台的优势是我们可以控制它。我们可以告诉它将搜索限制在某个区域,并在搜索完成后返回。

关于实验中飞蛾的健康,幸福和整体健康,您能告诉我们什么?

安德森:在拆下触角之前,先对飞蛾进行冷麻醉。然后将它们冷冻,以便可以用于教学目的或用于其他研究工作。

接下来要做什么?

丹尼尔:四大工作是(1)CRISPR修饰,(2)旨在提高触角制备物寿命的实验,(3)改进触角对气味的电响应的测量,并结合机器学习来了解我们是否可以对不同气味进行分类,以及(4)在室外环境中飞行。

富勒:飞蛾的天线传感器为我们提供了一种新的感知能力,其延迟时间比以前使用类似大小的传感器(例如半导体传感器)所能实现的要短得多。机器人代理人到底应该采取什么措施才能最好地利用这一点,这是一个悬而未决的问题。

特别是,我认为速度可能会帮助它更快地将复杂环境中的羽流源归零。想像一下这样的场所,例如室内环境,其中有向下流动的走廊,在门口会分开,在工业环境中则是用管道和设备来装饰的。

我们知道,在这种情况下有可能发现并发现气味,任何不得不与果蝇爆发抗衡的人都可以证明。还已知这些动物对这种湍急的,斑驳的羽流中存在的气味的突然变化非常迅速地做出反应。

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