Smellicopterドローン：蛾の触角で匂いを検知、人工センサーを凌駕

メーカー製センサーが必要？ ワシントン大学の研究者たちは、ドローンに自然界最高の検知器の一つである蛾の触角を搭載しました。

「自然は我々の人工臭気センサーを完全に凌駕します」と、空中ビークル「Smellicopter」の主任研究者であるUW博士課程学生Melanie Anderson氏は語ります。

「実際の蛾の触角をSmellicopterに使用することで、ロボットプラットフォーム上で生物学的生物の感度を得られ、その動きを制御できる両方の長所を手に入れられます。」

生きた触角は化学信号に反応し、飛行体を特定の臭いへナビゲートさせます。チームは、オープンソースの手持ち市販クアッドコプタープラットフォームに触角センサーと、ドローンを風上向きに保つための2枚の後部プラスチックフィンを追加しました。

Anderson氏と同僚研究者たちは、Manduca sexta（タバコスズメガ）を飛行ロボットプラットフォームに使用し、蛾を冷蔵庫で麻酔してから触角を取り外しました。一度取り外された触角は最大4時間活性を保ち、冷蔵庫で長期間保存すればその時間を延長可能です、とUW発明者たちは述べています。

触角の両端に微細なワイヤーを追加し、研究者たちは付属器官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しました。Smellicopterの触角は、Smellicopterエンジニアたちがテストした人工センサーよりも花の香りとエタノールをより速く検知し、回復時間も短かったです。

チームは10月1日、ジャーナル『IOP Bioinspiration & Biomimetics』に結果を発表しました。

Smellicopterは、蛾が特定の臭いを見つける方法を模倣する「キャストアンドサージ」プロトコルを使用します。UWドローンは左側から特定距離で開始します。臭いが検出されなければ、同じ距離で右側へ移動します。一度Smellicopterが臭いを検知すると、飛行パターンを変え、対象物へ向かって移動します。

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カメラと4つの赤外線センサーがUAVをガイドし、毎秒10回の割合で近隣障害物を測定します。デバイスから8インチ以内に物体が検出されると、ドローンは次の「キャストアンドサージ」ステージへ進み方向を変えます。

「だからSmellicopterが左にキャストしていて、左に障害物があるなら、右にキャストするように切り替わります」とAnderson氏。「そしてSmellicopterが臭いを嗅いでも前方に障害物があるなら、障害物がパスからなくなるまで左か右にキャストし続け、サージ前進します。」

UW研究室でのテスト中、Smellicopterは自然に蛾が興味を持つ花の香りなどへ飛ぶよう調整されていました。しかし研究者たちは、将来的には蛾の触角が他の臭い、例えば瓦礫の下に閉じ込められた人の二酸化炭素呼気や未爆発装置の化学シグネチャーを感知できるよう期待しています。

以下の短いQ&Aで、Anderson氏がSmellicopterの仕組みと最適な活用場所についてさらに説明しています。

Tech Briefs：生きた触角を使う選択のきっかけは？ 通常のセンサー追加と比べて「発想の転換」だったと思いますが。

Melanie Anderson： 蛾の触角からの電気信号測定（電気触角図）は以前から研究で行われてきました。私たちはそれを小型飛行ロボットプラットフォームと組み合わせた最初のグループです！ 蛾の触角は携帯型市販化学センサーより何倍も敏感です。さらに、軽量で低消費電力——小型ドローンプラットフォームに最適です。

Tech Briefs：初めてテストした日の様子を教えてください。UW動画で「非常にエキサイティングで、うまくいくか不安だった」と語っていました。何が最も懸念で、その日どう感じましたか？

Melanie Anderson： 触角は動きと触覚（機械的刺激）にも反応して信号を生成します。ローターの振動とローターが触角にもたらす追加気流が臭い検知を分離しにくくする懸念がありました。しかし臭いへの反応は他の信号よりはるかに強く、ドローン上のセットアップでは触角が極めてうまく機能しました。

全員がそれがうまくいった日に非常に興奮しました！ 触角からの信号を読み取る回路を作り、ドローンプラットフォームと組み合わせる努力が、このようなエキサイティングな結果を生むことにつながったと感じ、非常にやりがいがありました！

Tech Briefs：触角が化学信号を感知——それがドローンの行き先をどう決めるのか？ 単に強い匂いを追うだけ？ なんらかの形で匂いを区別できるのか？

Melanie Anderson： 心拍モニターが心臓の拍動に伴う電気信号を示すように、触角も臭いを嗅ぐとパルス状の電気信号を生成します。触角に微細ワイヤーを挿入してこの信号を測定し、臭いへの反応パルスを見ることができます。これらのパルスがドローンに触角が何かを嗅いだことを知らせます。現在は花の香りと蛾フェロモンに最も強く反応しますが、遺伝子工学で蛾を改変し、他の臭いに敏感にして、爆弾発見や災害時の生存者発見などのシナリオで使用できるよう取り組んでいます。

臭いを探すさまざまな動物は風向きに頼っています。臭いを嗅いでいるなら、風が臭いを運ぶため、その臭いの源は風上にあると安全に仮定できます。したがって、臭いを嗅いだら風上へ進み、臭いを失ったら横風へ進んで再び軌跡を拾います。ドローンはこの簡易版を行います。ドローン後部のフィンを風見鶏のように受動的に風上向きに配向し、臭いに遭遇したら前進サージします。その臭いがなくなったら、再び臭いを嗅ぐまで左右にキャストします。

Tech Briefs：あなたとチームの今後の研究予定は？

Melanie Anderson： 蛾の触角を遺伝子工学で改変し、Smellicopterを多様なシナリオで有用にすることに非常にワクワクしています。私の博士研究では、シミュレーションベース探索手法も探求し、Smellicopterが障害物のある空間などで効率的に飛行できるようにします。

Tech Briefs：最もエキサイティングな応用は何だと思いますか？

Melanie Anderson： 捜索救助は非常にエキサイティングです。現在、人工臭気センサーではなく、捜索犬という形で自然を利用して閉じ込められた人を探しています。もし小型ドローン、または小型ドローンの群れでこれらの閉じ込められた人を見つけられれば、より速く発見でき、捜索犬と救助隊員を危険から遠ざけられます。

UWチームの研究をジャーナル『IOP Bioinspiration & Biomimetics』でお読みください。

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