蛾触角センサー搭載ドローン、災害現場で危険検知と生存者発見

ドローンの利点の1つは、人間が立ち入れない場所、例えば自然災害後の不安定な構造物や未爆発装置がある地域などに行けることです。

研究者たちは、空気中の化学物質を嗅ぎ分けて災害生存者、ガス漏れ、爆発物などを特定できるデバイスの開発に関心を持っています。しかし、ほとんどのセンサーは、これらの発生源が作り出す断続的な臭気プルームの中を飛行しながら、特定の匂いを発見し処理するには十分な感度や速度がありません。

あるチームが、生きた蛾の触角を使って匂いに向かってナビゲートする自律ドローン「Smellicopter」を開発しました。移動中に障害物を検知し回避することもできます。実際の蛾触角を使用することで、生物学的有機体の感度と、動きを制御できるロボットプラットフォームの両方の長所を得られました。

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「自然は人間が作った臭気センサーを完全に凌駕しています」とワシントン大学博士課程のMelanie Anderson氏は述べています。

蛾は触角で環境中の化学物質を感知し、食料源や潜在的な配偶者の方向へナビゲートします。チームはSmellicopterに、オオスカシバ（Manduca sexta）の触角を使用しました。研究者たちは蛾を冷蔵庫で麻酔してから触角を取り外しました。生きた蛾から分離された後も、触角は最大4時間、生物学的・化学的に活性を保ちます。この期間は、触角を冷蔵庫で保管することで延長可能です。

触角の両端に微細なワイヤーを追加することで、研究者たちはそれを電気回路に接続し、触角のすべての細胞からの平均信号を測定できるようにしました。チームはこれを典型的な人間製センサーと比較するため、両方を風洞の一端に置き、両センサーが反応する匂い（花の香りとエタノール）を送りました。触角はより速く反応し、パフ間の回復時間も短かったです。

Smellicopterを作るため、チームは触角センサーをオープンソースの手持ち型市販クアッドコプタードローンプラットフォームに追加しました。これはユーザーが特別な機能を追加できるものです。研究者たちはまた、ドローンの後部に2枚のプラスチックフィンを追加し、抗力を生み出して常に風上向きを維持するようにしました。

Smellicopterは研究者の助けなしに匂いを探索します。チームは蛾が匂いを探す様子を模倣した「キャストアンドサージ」プロトコルを作成しました。Smellicopterは特定の距離だけ左に移動して探索を開始します。特定の臭気閾値を超えるものがなければ、同じ距離だけ右に移動します。一度匂いを検知すると、それに向かってサージ（突進）する飛行パターンに切り替わります。

Smellicopterのもう1つの利点は、GPSを必要としないことです。代わりにカメラで周囲を調査します。これは昆虫が目を使うのと似ています。これにより、鉱山やパイプのような屋内や地下空間の探索に適しています。

ラボテストでは、Smellicopterは蛾が興味を持つ花の香りなどに自然に向かって飛行しました。しかし研究者たちは、将来的には二酸化炭素（瓦礫の下に閉じ込められた人の呼気）や未爆発装置の化学シグネチャなど、他の匂いを蛾触角で感知できるようになることを期待しています。