嗅覺傳感器讓機(jī)器人具備了不可思議的功能

美國科學(xué)家從蝗蟲的嗅覺得到了靈感，開發(fā)出新式的仿生機(jī)器人感測系統(tǒng)，可用于嗅出爆炸物等安全應(yīng)用……

美國圣劉易斯華盛頓大學(xué)(Washington University in St. Louis)的工程師團(tuán)隊(duì)們從蝗蟲的嗅覺得到了靈感，開發(fā)出新式的仿生機(jī)器人感測系統(tǒng)，可用于嗅出爆炸物等安全應(yīng)用。

該校工程與應(yīng)用科學(xué)系生物醫(yī)學(xué)工程副教授Baranidharan Raman并由美國海軍研究室(ONR)獲得了75萬美元的贊助，利用這項(xiàng)高度靈敏的嗅覺系統(tǒng)為基礎(chǔ)，開發(fā)出生物混合鼻。

Raman表示，生物感測系統(tǒng)較其他的同類型工程系統(tǒng)復(fù)雜，包括負(fù)責(zé)嗅覺感官的化學(xué)感測系統(tǒng)。雖然這種嗅覺感官是一種原始本能，但仍留存于許多脊椎動(dòng)物和無脊椎動(dòng)物物種中。

“融合生物學(xué)的解決方案可用于解決非侵入式或化學(xué)感測等問題，而且到處都復(fù)制了相同的設(shè)計(jì)與運(yùn)算原則，”Raman說：“因此，了解基本的嗅覺處理原則對(duì)于由生物學(xué)啟發(fā)的工程解決方案不可或缺?！?/p>

多年來，以及在ONR的資金贊助下，Raman一直在研究蝗蟲的腦部如何以相當(dāng)簡單的方式接收與處理感官訊號(hào)。他和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，氣味激發(fā)在腦部的動(dòng)態(tài)神經(jīng)活動(dòng)，讓蝗蟲能正確地辨識(shí)特殊的氣味，即使是在其他氣味共同存在的情況下。在其他研究方面，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，蝗蟲可以被訓(xùn)練于辨識(shí)某種氣味后，即使是在復(fù)雜的情況下也能順利辨識(shí)出來，例如與其他味道重迭或在不同的背景條件下。

“為什么要多此一舉？何不直接利用生物解決方案？”Raman指出，“即使是最先進(jìn)的微型化學(xué)感測裝置也有許多傳感器。另一方面，如果你觀察昆蟲的天線——其化學(xué)傳感器所在之處，也有成千上百萬的傳感器以及各種類型?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)還打算在昆蟲自由活動(dòng)、探索與解碼在其環(huán)境中出現(xiàn)的氣味時(shí)，監(jiān)控其大腦的神經(jīng)活動(dòng)。

這種方法也需要低功率電子元件來收集，記錄和傳輸數(shù)據(jù)。山塔努Chakrabartty，計(jì)算器科學(xué)與工程，在制定自己的自適應(yīng)集成微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的微型電子產(chǎn)品的專家教授，將與拉曼合作開發(fā)的這部分工作。

這種途徑也需要低功耗的電子組件進(jìn)行收集、記錄以及傳送數(shù)據(jù)。圣劉易斯華盛頓大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系教授Shantanu Chakrabartty將與Raman合作，共同開發(fā)這項(xiàng)研究所需的組件。

研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃透過遙控的方式，用蝗蟲作為收集樣本的仿生機(jī)器人系統(tǒng)。多功能納米材料專家暨該校材料科學(xué)助理教授Srikanth Singamaneni將開發(fā)一種由生物兼容絲制成的電漿“紋身紙”，可貼在蝗蟲的翅膀(可產(chǎn)生微熱)，以及有助于透過遙控方式引導(dǎo)蝗蟲朝向特定的位置。 此外，鑲嵌電漿納米結(jié)構(gòu)的紋身貼紙還可收集鄰近的揮發(fā)性有機(jī)化合物樣本，讓研究人員使用傳統(tǒng)方法，為化合物的化學(xué)組成執(zhí)行次級(jí)分析。

“在許多工程應(yīng)用中，狗的嗅覺系統(tǒng)仍然是先進(jìn)感測系統(tǒng)，包括國土安全和醫(yī)療診斷都仍在使用嗅探犬等，”Raman說，“然而，訓(xùn)練和制約這些動(dòng)物所需的時(shí)間與困難度，加上缺少有力的譯碼程序以擷取來自生物系統(tǒng)的化學(xué)傳送信息，對(duì)于更廣泛的應(yīng)用帶來重大挑戰(zhàn)。”

困難和進(jìn)行訓(xùn)練和調(diào)節(jié)這些動(dòng)物所需的時(shí)間，與缺乏魯棒譯碼程序組合以提取來自生物系統(tǒng)的有關(guān)化學(xué)發(fā)送信息，姿勢更廣泛地應(yīng)用一個(gè)顯著挑戰(zhàn)?！拔覀兤谕@項(xiàng)研究能開發(fā)并驗(yàn)證這項(xiàng)基于蝗蟲的化學(xué)感測途徑，進(jìn)一步用于偵測爆裂物。”