Smellicopter 드론: 나방 더듬이 센서로 인공 센서 능가하는 후각 탐색

제조사 센서가 필요할까요? 워싱턴 대학교 연구자들은 드론에 자연 최고의 검출기 중 하나인 나방 더듬이를 장착했습니다.

"자연은 우리가 만든 인공 냄새 센서를 물 밖으로 날려버립니다."라고 공중 차량 'Smellicopter'의 주연구원인 UW 박사과정생 Melanie Anderson 링크는 말했습니다.

"실제 나방 더듬이를 Smellicopter에 사용함으로써 우리는 두 세계의 최고를 얻습니다: 로봇 플랫폼에서 움직임을 제어할 수 있는 생물학적 유기체의 감도."

살아있는 더듬이는 화학 신호에 반응하여 비행체가 특정 냄새를 향해 항해할 수 있게 합니다. 팀은 오픈소스 휴대용 상용 쿼드콥터 링크 플랫폼에 더듬이 센서를 추가했고, 드론을 역풍 방향으로 향하게 유지하기 위해 뒤쪽에 두 개의 플라스틱 지느러미를 추가하여 항력을 만들었습니다.

Anderson과 동료 연구자들은 Manduca sexta 박각시를 Smellicopter의 비행 로봇 플랫폼으로 삼았습니다. 더듬이를 떼기 전에 나방들을 냉장고에 넣어 마취시켰습니다. 떼어낸 더듬이는 최대 4시간 동안 활성 상태를 유지하며, 냉장고에 더 오래 보관하면 그 시간을 연장할 수 있다고 UW 발명가들은 말합니다.

더듬이 양 끝에 미세한 와이어를 추가한 후 연구자들은 첨부물을 전기 회로에 연결하고 더듬이의 모든 세포에서 평균 신호를 측정했습니다. Smellicopter 더듬이는 꽃 향기와 에탄올을 인간 제작 센서보다 더 빠르게 포착했고, 회복 시간도 더 짧았습니다.

팀은 10월 1일 IOP Bioinspiration & Biomimetics 링크 저널에 결과를 발표했습니다.

Smellicopter는 나방이 특정 냄새를 찾는 방식을 모방하는 '캐스트 앤 서지(cast and surge)' 프로토콜을 사용합니다. UW 드론은 특정 거리만큼 왼쪽으로 시작합니다. 냄새가 감지되지 않으면 같은 거리만큼 오른쪽으로 이동합니다. Smellicopter가 냄새를 감지하면 비행 패턴을 변경하여 관심 대상 쪽으로 이동합니다.

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카메라와 4개의 적외선 센서가 UAV를 안내하며, 초당 10번 비율로 주변 장애물을 측정합니다. 장치 8인치(약 20cm) 이내에 물체가 감지되면 드론은 다음 '캐스트 앤 서지' 단계로 이동하여 방향을 바꿉니다.

"그래서 Smellicopter가 왼쪽으로 캐스팅 중인데 왼쪽에 장애물이 있으면 오른쪽으로 캐스팅하게 됩니다."라고 Anderson은 말했습니다. "Smellicopter가 냄새를 맡지만 앞에 장애물이 있으면 장애물이 없는 경로가 생길 때까지 왼쪽이나 오른쪽으로 계속 캐스팅하다가 앞으로 서지합니다."

UW 연구실 테스트에서 Smellicopter는 나방이 흥미로워하는 꽃 향기 쪽으로 자연스럽게 비행하도록 조정되었습니다. 하지만 연구자들은 미래 작업에서 나방 더듬이가 갇힌 사람이 내뿜는 이산화탄소나 불발 장치의 화학적 서명 같은 다른 냄새를 감지할 수 있기를 희망합니다.

아래 짧은 Q&A에서 Anderson이 Smellicopter 작동 방식과 가장 잘 작동하는 곳에 대해 더 설명합니다.

Tech Briefs: 살아있는 더듬이를 사용하기로 한 영감은 무엇이었습니까? 일반적인 센서 추가에 비해 꽤 '발상 전환' 아이디어였던 것 같습니다.

Melanie Anderson: 나방 더듬이에서 전기 신호 측정(전기도청도그램)은 연구에서 이전에 수행된 적이 있습니다. 우리는 그것을 작은 비행 로봇 플랫폼과 결합한 최초의 사람들일 뿐입니다! 나방 더듬이는 휴대용 상용 화학 센서보다 수십 배 더 민감합니다. 또한 가볍고 저전력입니다. 작은 드론 플랫폼에 완벽합니다.

Tech Briefs: 처음 테스트했던 날을 되짚어 주실 수 있습니까? UW 비디오 [이 기사 위쪽에 표시]에서 매우 흥분되었고 작동할지 확신할 수 없었다고 하셨습니다. 가장 우려했던 점은 무엇이었고, 그날 성능을 어떻게 느끼셨습니까?

Melanie Anderson: 더듬이는 냄새뿐만 아니라 움직임과 접촉(기계적 자극)에도 반응하여 신호를 생성합니다. 로터 진동과 로터가 더듬이 위에 제공하는 추가 기류가 냄새 감지를 분리하기 어렵게 만들까 우려했습니다. 하지만 냄새에 대한 반응이 다른 신호보다 훨씬 강하고, 더듬이는 드론 위의 우리 설정에서 극도로 잘 작동합니다.

우리 모두 그날 작동해서 매우 흥분했습니다! 더듬이에서 신호를 읽는 회로를 만들고 드론 플랫폼과 결합하려는 노력이 그렇게 흥미로운 결과를 낳았다는 것이 매우 검증된 느낌이었습니다!

Tech Briefs: 더듬이가 화학 신호를 감지하면 그것이 드론이 어디로 갈지 어떻게 알립니까? 그냥 강한 냄새를 따라가나요? 냄새를 구별할 수 있나요?

Melanie Anderson: 심장 모니터가 심장 박동의 전기 신호를 보여주듯, 더듬이도 냄새를 맡을 때 펄스 같은 전기 신호를 생성합니다. 더듬이에 작은 와이어를 삽입해 이 신호를 측정하고 냄새에 반응하는 펄스를 볼 수 있습니다. 이 펄스들이 드론에게 더듬이가 무언가를 맡았음을 알립니다. 현재로선 더듬이가 꽃 향기와 나방 페로몬에 가장 강하게 반응하지만, 우리는 나방을 유전적으로 조작하여 다른 냄새에 민감하게 만들고 재난 현장에서 갇힌 생존자 찾기나 폭탄 위치 파악 같은 시나리오에 사용할 수 있도록 연구 중입니다.

냄새를 찾아내는 많은 동물들은 바람 방향에 의존합니다. 냄새를 맡고 있다면 그 냄새의 근원이 역풍 방향에 있을 것이라고 안전하게 가정할 수 있습니다. 냄새가 바람에 실려 오기 때문입니다. 이런 식으로 냄새를 맡으면 역풍으로 이동하고, 냄새를 잃으면 측풍으로 이동하여 다시 흔적을 잡을 때까지 이동합니다. 드론은 이 단순화된 버전을 수행합니다. 드론 뒤쪽의 지느러미가 풍향계처럼 작동하여 수동적으로 역풍 방향을 향하고, 냄새를 만나면 앞으로 서지합니다. 그 냄새를 더 이상 맡지 않으면 다시 냄새를 맡을 때까지 좌우로 캐스팅합니다.

Tech Briefs: 이 연구에 대해 당신과 팀의 다음 단계는 무엇입니까?

Melanie Anderson: 우리는 나방 더듬이를 유전적으로 조작하여 Smellicopter를 다양한 시나리오에서 유용하게 만드는 것에 매우 흥분하고 있습니다. 내 박사 연구를 위해 시뮬레이션 기반 탐색 방법도 탐구할 예정입니다. Smellicopter가 장애물이 있는 공간 등 다양한 공간에서 효율적으로 비행할 수 있도록 하기 위해서입니다.

Tech Briefs: 가장 흥미로운 응용 분야는 무엇입니까?

Melanie Anderson: 수색구조가 매우 흥미롭습니다. 현재 우리는 인공 냄새 센서가 아닌 자연의 형태인 탐지견을 사용하여 갇힌 사람을 찾습니다. 만약 작은 드론이나 작은 드론 군집을 사용하여 이 갇힌 사람들을 대신 찾을 수 있다면, 더 빠르게 찾을 수 있고 구조견과 구조대원들을 위험에서 벗어나게 할 수 있습니다.

UW 팀의 연구를 IOP Bioinspiration & Biomimetics 링크 저널에서 읽어보세요.

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