Технический прогресс привел к разработке беспилотных летательных аппаратов с различными приложениями, включая навигацию, газовое зондирование, инфраструктуру и транспорт, получение изображений и реагирование на стихийные бедствия. Обычные навигационные системы в беспилотных летательных аппаратах полагаются на визуальные датчики, такие как тепловизор и система обнаружения света и определения дальности (ЛиДАР). Однако условия окружающей среды, такие как недостаточная освещенность, пыль и влага, могут поставить под угрозу их функциональность, что подчеркивает необходимость в более универсальных альтернативах.

В природе животные, птицы и насекомые обладают врожденной системой навигации, основанной на их обонянии, которая помогает им находить источники пищи, уклоняться от хищников и привлекать потенциальных партнеров, тем самым способствуя их общему выживанию. Насекомые, в частности самцы мотыльков, могут обнаруживать переносимые ветром половые феромоны на расстояниях, которые в некоторых случаях достигают нескольких километров, благодаря процессу, известному как локализация источника запаха.

Биогибридные дроны, которые интегрируют эти биологические сенсорные механизмы с передовыми искусственными механизмами, обладают значительными перспективами в преодолении проблем, связанных с существующими роботизированными технологиями.

В этом контексте группа исследователей под руководством доцента Дайго Теруцуки с кафедры машиностроения и робототехники факультета текстильной науки и технологии Университета Синшу, Япония, вместе с доцентами Тошиюки Наката и Тихиро Фукуи из Университета Тиба, Япония, использовали усики шелкопряда для разработки нового биологического препарата.- гибридный беспилотник, способный улавливать запахи и отслеживать их. Это исследование было опубликовано онлайн в журнале npj Robotics 5 февраля 2025 года.

Объясняя мотивы своего исследования, доктор Теруцуки говорит: "Наша команда продолжает разрабатывать биогибридные дроны, которые используют антенны живых насекомых в качестве сенсорных элементов запаха. В этом исследовании мы стремимся использовать динамические движения и механизмы живых организмов, чтобы значительно повысить производительность наших беспилотных летательных аппаратов, отслеживающих запахи. Мы инициировали это исследование, полагая, что эти достижения позволят более эффективно обнаруживать запахи и расширят возможности их применения в спасательных операциях".

Ранее исследователи разработали биогибридный беспилотник, оснащенный электроантеннографическим датчиком (EAG) на основе усиков насекомых с высокой чувствительностью и специфичностью. Однако его применение было ограничено малой дальностью обнаружения - менее двух метров. В текущем исследовании команда усовершенствовала первичную версию, дополнительно включив механизмы, имитирующие биологический процесс у насекомых. Насекомые периодически останавливаются в процессе отслеживания запаха, чтобы повысить точность поиска. Однако роботизированные модели поиска по запаху не имеют таких пауз в своей работе, которые могут повлиять на дальность их обнаружения.

Чтобы решить эту проблему, исследователи внедрили "алгоритм ступенчатого вращения", который имитирует паузы насекомых во время восприятия запаха, значительно повышая точность обнаружения. Они также переработали электроды и датчик EAG, чтобы более эффективно адаптировать структуру усиков шелкопряда. Бесшовный интерфейс между датчиком EAG с модуляцией усиления (реагирующим на интенсивность электрического сигнала) и антеннами насекомых значительно повысил производительность и работоспособность системы.

Кроме того, команда использовала корпус в форме воронки, чтобы уменьшить сопротивление воздушному потоку, и нанесла проводящее покрытие внутри корпуса, чтобы свести к минимуму шумовые помехи от электростатического заряда. Эти модификации привели к превосходному распознаванию источника запаха в различных условиях окружающей среды и концентрациях одоранта с эффективной дальностью обнаружения до 5 метров.

Разнообразное применение биогибридного беспилотника, чувствительного к запаху, потенциально может революционизировать обнаружение утечек газа в критически важных инфраструктурах, раннее обнаружение пожаров, повысить общественную безопасность в аэропортах за счет обнаружения опасных веществ, таких как наркотики и взрывчатые вещества, и обеспечить более эффективное реагирование на стихийные бедствия за счет совершенствования спасательных операций.

Эта технология может быть особенно полезна в географических регионах, которые более подвержены стихийным бедствиям, таким как землетрясения, для целей спасения. "Традиционно поисково-спасательные работы основывались на ручном визуальном поиске из-за отсутствия окончательной технологии, способной эффективно определять местонахождение людей, терпящих бедствие. Усовершенствованный биогибридный беспилотник, разработанный в рамках этого исследования, потенциально может позволить службам реагирования быстро находить выживших, отслеживая запахи, что в конечном итоге спасет больше жизней, когда на счету каждая секунда", - заключает доктор Теруцуки.