科学家用真蛾触角做传感器检测气味

如果蛾生有四季的话，我在遇到那个人之前都是春天。我是一只Manducasexta，你也可以叫我的中文名烟草天蛾，虽然我的一生很短，但是过的还算开心。为了寻找食物，我进化出了灵敏的触角，可以感知到远处鲜花的味道，但正是这唯一让我引以为豪的优势，让我碰到了那个人。他居然把我的触角剪切来当作传感器放在了无人机上！——选自《一只烟草天蛾的自传》无人机可能不是什么新鲜事物了，传感器也不是。无论是视觉传感器、声音传感器，都已经在许多自助机器上得到了运用，如今人工视觉和听觉传感器在很多方面甚至超过了包括人类在内的所有生物。嗅觉传感器却很少会在自主机器上得以运用，其中一条很重要的原因就是其灵敏度不高。我们到现在都无法做出媲美警犬嗅觉的机器人，所以警犬依旧在安检中承担寻找爆炸物和毒品的重任。但是如果把生物的嗅觉器官作为传感器加到自主机器——像是无人机上呢？西雅图华盛顿大学的研究人员就这么做了。他们把烟草天蛾的一只触角剪切来，然后把电极插入触角的两端，就可以利用触角对气味的感知，制造一个能够追寻气味飞行的无人机！这是怎么做到的呢？要制作这样一个传感器，你需要从天蛾身上“收获”一个真的触角。首先，研究人员需要找到一只健康的烟草天蛾，然后在取出触角之前对它们进行麻醉。一旦触角与活蛾分离，触角还能再生物和化学上保持长达4小时的活性，而通过将触角存放在冰箱中，可以延长这个时间。飞蛾的触角是中空的，接下来就可以把电极穿到触角的两端，就像这样：电极的另一端连接着电压放大器和滤波器，通过模拟数字转换器运行，你就得到了一个重量只有1.5克，耗电量只有2.7mW的化学传感器。研究人员还将其与普通的人类制造的传感器进行了比较，将两者放在风洞的一端，并释放两种传感器都会反应的气味：花香和乙醇。结果显示，飞蛾触角传感器的反应速度更快，感知气味恢复的时间更短。飞蛾触角中的嗅觉神经元遇到熟悉的气味时，就会产生电信号，进而电极就会接收到这种气味。它比传统的金属氧化物气味传感器敏感得多，体积更小，效率更高，是无人机的理想选择。一个传感器只需要一根这样的触角，所以每只飞蛾都可以用来制作两个这样的气味传感器。这项研究是由华盛顿大学领导的一个团队开发的，成员有西雅图华盛顿大学机械工程教授的博士生MelanieAnderson，生物学教授ThomasDaniel，机械工程助理教授Sawyer。这个嗅觉无人机项目名为Crazyflie2.0，他们制作的这款利用飞蛾触角当传感器的无人机名为Smellicopter。研究人员首先将“飞蛾传感器”加入一个普通的开源手持四翼无人机上，然后通过创建一个“投掷和激增””协议来模仿飞蛾搜索气味的方式，进而使得Smellicopter可以自主追寻气味进行导航。具体来说，Smellicopter会先通过向左移动特定距离开始搜索，如果没有感知到任何气味通过特定的阈值，Smellicopter就会向右移动相同的距离。一旦检测到气味，它就会根据设置的程序改变飞行模式，自主向气味目标飞去。由于气味是通过空气传播的，所以除非是在源头的下风处，否则嗅觉传感器就无法探测到它们，因此研究人员还在无人机的背面添加了两个塑料翅片，以对空气产生阻力，帮助传感器保持朝向上风向。和其他无人机类似，Smellicopter糊了装备有嗅觉传感器，还装有四个红外线传感器，用以避开障碍物。红外传感器和嗅觉传感器并不冲突。红外传感器每秒测量10次周围的情况，当有东西靠近无人机约20厘米范围内时，它就会改变方向，嗅觉传感器则开始一个新的“投掷和激增”协议循环。MelanieAnderson表示，不需要GPS是Smellicopter的另一优势，使用四个红外传感器来勘察周围环境，类似于昆虫使用眼睛的方式，这使得Smellicopter非常适合探索矿井或渠道等室内或地下空间。MelanieAnderson还表示他们使用的飞蛾传感器的性能至少比其他人工传感器要好3个量级。现在，研究人员已经开始修改蛾类的气味检测路径，使触角对其他感兴趣的化学物质敏感，如爆炸物的化学气味，这是这款无人机未来潜在的应用场景之一。ThomasDaniel还表示，这个项目相对简单，这意味着即使是高中生也有可能参与其中，可能是当地面机器人而不是无人机上。该项目论文标题为《Abio-hybridodor-guidedautonomouspalm-sizedairvehicle》，发布在《IOPBioinspirationBiomimetics》杂志上。

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