Японские биогибридные дроны научились ориентироваться в пространстве по запаху как насекомые

В отличие от традиционных дронов, полагающихся на оптические приборы, новое устройство японских ученых использует обоняние для навигации. Важно отметить, что обычные дроны, оснащенные камерами и лидарами, отлично справляются со своими задачами в идеальных условиях. Однако, в задымленной среде, при тумане, в условиях плохой освещенности или запыленности, их эффективность резко падает. Это особенно критично в зонах стихийных бедствий, где видимость часто ограничена. Решением проблемы стал инновационный биогибридный дрон, созданный на основе сочетания робототехники и биологических сенсоров – усиков самца шелкопряда. Этот уникальный дрон, разработанный в Японии, объединяет точность и маневренность роботов с невероятной чувствительностью насекомых, что открывает новые горизонты для применения дронов в самых разных областях: от навигации и обнаружения утечек газа до спасательных операций в условиях катастроф.

Современные дроны уже нашли широкое применение в самых разных сферах деятельности – от доставки грузов и картографии местности до контроля за состоянием инфраструктуры и помощи в чрезвычайных ситуациях. Большинство из них для ориентации в пространстве используют визуальные системы, такие как тепловизоры или лидары (лазерные дальномеры). Однако, как уже отмечалось, эффективность этих систем напрямую зависит от внешних условий. Пыль, туман, дым, недостаток света – все это может серьезно затруднить или даже сделать невозможной работу "зрячих" дронов.

Природа давно нашла элегантное решение проблемы навигации в сложных условиях. Многие животные, птицы и насекомые полагаются на свое обоняние, которое позволяет им безошибочно находить пищу, избегать опасностей и искать партнеров для размножения. Особенно впечатляют в этом плане насекомые. Например, самцы ночных бабочек способны улавливать феромоны – особые химические сигналы, выделяемые самками для привлечения внимания – на расстоянии нескольких километров. Этот процесс, известный как локализация источника запаха, позволяет им находить самок даже в полной темноте и на значительном удалении.

Идея объединить биологическую чувствительность с технологическими возможностями роботов оказалась весьма перспективной. Биогибридные дроны, сочетающие в себе живые сенсоры и передовую электронику, способны преодолеть ограничения, присущие традиционным робототехническим системам, особенно в условиях, где визуальная навигация затруднена или невозможна.

Изображение передового биогибридного дрона с антенной шелкопряда и встроенным корпусом датчика. Также представлена схематическая диаграмма, иллюстрирующая взаимосвязь между электроантеннографическим (ЭАГ) датчиком (т.е. датчиком запаха) и его корпусом, подчеркивая инновационную конструкцию, которая повышает чувствительность обнаружения запаха и эффективность системы. Источник: Dr. Daigo Terutsuki / Shinshu University, Japan

Именно в этом направлении работают ученые из Университета Шинсю под руководством доцента Дайго Теруцуки, совместно с коллегами из Университета Чиба. Их разработка – это биогибридный дрон, оснащенный антеннами самца шелкопряда, способный не только обнаруживать запахи, но и точно определять направление к их источнику.

Результаты этого исследования опубликованы в научном журнале npj Robotics.

Доктор Теруцуки объясняет мотивацию своей команды следующими словами: "Мы продолжаем развивать концепцию биогибридных дронов, в которых живые антенны насекомых используются в качестве сверхчувствительных датчиков запаха. В этом проекте нашей целью было интегрировать динамику и механизмы живых организмов в робототехническую платформу, чтобы кардинально улучшить характеристики дронов, предназначенных для поиска источников запаха. Мы убеждены, что наши достижения откроют новые возможности для эффективного обнаружения запахов и расширят спектр применения таких дронов, в первую очередь, в спасательных операциях".

Типичная траектория полета передового биогибридного дрона, использующего трехступенчатый алгоритм вращения для поиска источника запаха. Дрон успешно проследил за феромонным шлейфом самки шелкопряда на расстоянии около 5 м, продемонстрировав свои улучшенные навигационные возможности и потенциал для применения в динамических средах. Источник: Dr. Daigo Terutsuki / Shinshu University, Japan

Следует отметить, что ранее эта группа исследователей разработала прототип биогибридного дрона с электроантеннографическим (ЭАГ) датчиком на основе антенн насекомых. Этот датчик отличался высокой чувствительностью и избирательностью к запахам, однако дальность обнаружения была ограничена всего двумя метрами.

За прошедшие годы ученые значительно усовершенствовали предыдущую модель, внедрив механизмы, имитирующие поведение насекомых при поиске запаха. Известно, что насекомые в процессе поиска периодически останавливаются, как бы "прислушиваясь" к запаху, чтобы точнее определить его направление. Роботизированные системы, как правило, лишены такой "паузы", что может негативно сказываться на дальности и точности обнаружения.

Для решения этой проблемы исследователи разработали "алгоритм пошагового вращения", имитирующий паузы насекомых при восприятии запаха. Это позволило существенно повысить точность определения направления на источник запаха.

Кроме того, была проведена модернизация электродов и ЭАГ-сенсора для лучшей интеграции с деликатной структурой антенн шелкопряда. Создание бесшовного интерфейса между ЭАГ-сенсором с регулируемым усилением (способным адаптироваться к интенсивности электрических сигналов) и антеннами насекомого позволило значительно улучшить общую производительность и надежность системы.

Дополнительно, для снижения сопротивления воздуха и защиты от электростатических помех, датчик был помещен в специальный воронкообразный корпус с проводящим покрытием. В результате всех этих усовершенствований дрон стал демонстрировать превосходную способность обнаруживать источники запаха в самых разных условиях и при различных концентрациях пахучих веществ, увеличив эффективную дальность обнаружения до 5 метров.

Потенциал применения этого биогибридного дрона, ориентирующегося на запахи, огромен. Он может совершить революцию в обнаружении утечек газа на критически важных объектах инфраструктуры, в системах раннего обнаружения пожаров, в обеспечении общественной безопасности в аэропортах (например, для обнаружения наркотиков и взрывчатых веществ), а также существенно повысить эффективность спасательных операций при различных катастрофах.

Особенно востребованной эта технология может оказаться в регионах, подверженных природным катаклизмам, таким как землетрясения, где счет идет на секунды при спасении пострадавших.

"В настоящее время поисково-спасательные работы в основном полагаются на визуальный осмотр, поскольку не существует надежной технологии для быстрого обнаружения людей, попавших в беду. Разработанный нами биогибридный дрон способен кардинально изменить ситуацию, позволяя спасателям оперативно находить выживших, отслеживая запахи, и тем самым спасать больше жизней в условиях, когда каждая секунда на счету", – подводит итог доктор Теруцуки.