Nous avons des capteurs sensibles, efficaces et à large plage pour les stimuli du monde réel tels que le son, la lumière / les images et le toucher / la pression / la force, mais les capteurs correspondants pour les odeurs nous échappent toujours. Il n’y a pas de capteur électronique «nasal» aussi efficace ou à large spectre que ceux que l’on trouve dans la nature, chez les animaux allant des insectes aux limiers. Pourtant, il y a des moments où il serait avantageux d’avoir un drone autonome qui pourrait suivre une traînée d’odeurs vers une zone sinistrée, une cache explosive, un danger environnemental ou le panache d’un incendie.

Pour résoudre ce problème, une équipe de l’Université de Washington a construit et testé ce qu’elle prétend être le premier drone bio-hybride auto-guidé à détection d’odeurs au monde utilisant l’antenne en direct d’un papillon de nuit comme transducteur. Surnommé le «Smellicopter», ce drone de la taille d’une paume (Fig. 1) détecte et évite les obstacles pendant qu’il se déplace dans l’air à la recherche et à la recherche de la source de l’odeur – et effectue toute sa navigation sans GPS.

1. Le Smellicopter est un drone commercial Crazyflie modifié avec un circuit d’électroantennogramme personnalisé et des aubes pour une orientation passive au vent.

Pourquoi une antenne papillon? En plus de détecter le vent et les vibrations, ces transducteurs à réponse rapide et très sensibles captent les informations olfactives que l’insecte utilise pour trouver de la nourriture et des partenaires. Une odeur détectée induit une série complexe de réactions chimiques, aboutissant à un «potentiel d’action» qui se propage le long de l’antenne jusqu’au cerveau de l’insecte. Un électroantennogramme (EAG) mesure l’activité électrique globale des neurones olfactifs dans une antenne en mesurant la chute de tension à travers l’antenne.

«La nature souffle vraiment nos capteurs d’odeurs artificiels hors de l’eau», a déclaré l’auteure principale Melanie Anderson, étudiante au doctorat en génie mécanique à l’UW. «En utilisant une véritable antenne papillon avec Smellicopter, nous pouvons tirer le meilleur parti des deux mondes: la sensibilité d’un organisme biologique sur une plate-forme robotique où nous pouvons contrôler son mouvement.»

Ce point a été amplifié par le co-auteur Thomas Daniel, un professeur de biologie de l’UW qui co-supervise la recherche doctorale d’Anderson. Il a ajouté: «Les cellules d’une antenne papillon amplifient les signaux chimiques. Les papillons de nuit le font très efficacement – une molécule parfumée peut déclencher de nombreuses réponses cellulaires, et c’est le truc. Ce processus est extrêmement efficace, spécifique et rapide. »

Les chercheurs ont retiré une antenne d’un Manduca sexta moth et l’a connecté à un circuit amplificateur EAG conçu et construit sur mesure ne pesant que 1,5 gramme, ne consommant que 2,7 mW, avec une empreinte au sol de 3 cm² (Fig. 2). (Les chercheurs placent les mites dans un réfrigérateur pour les anesthésier avant de retirer une antenne; après avoir été séparée du papillon vivant, l’antenne reste biologiquement et chimiquement active jusqu’à quatre heures.)

2. Le circuit frontal analogique de l’électroantennogramme se compose d’un préamplificateur (INA118), d’un filtre passe-bande (TLV2333) et d’un amplificateur de sortie (TLV2333).

Pour effectuer les connexions entre l’antenne et l’EAG, ils insèrent un segment de 75-µfil d’acier inoxydable d’un diamètre de m dans chaque extrémité de l’antenne (Fig. 3). Des tests «en banc» ont montré la relation temporelle stimulus-réponse entre un mélange d’odeurs calibré plus «bouffée» et la sortie de l’antenne (Fig. 4).

3. L’électroantennogramme (EAG) est composé d’une seule antenne excisée d’un Manduca sexta hawkmoth avec un circuit de conditionnement de signal personnalisé, représenté avec chaque extrémité étant insérée dans un fil d’acier inoxydable.

4. Il s’agit de la réponse EAG à un stimulus soufflé à la main à l’aide d’une pipette jetable placée perpendiculairement à l’entrée d’une mini-soufflerie contenant l’EAG, et chargée d’un parfum floral mélangé avec précision.

La sortie de l’antenne était comprise entre 10 µV et 1 mV en réponse à des stimuli, ils ont donc envoyé le gain à 1000 après quelques expérimentations. La résistance de l’agencement d’antenne était comprise entre 500 et 750 kΩ. Cette valeur de relativité élevée a entraîné une prise de bruit excessive à 60 Hz par le circuit; il y avait également des problèmes inévitables de dérive de la ligne de base du capteur. Pour surmonter ces deux problèmes, ils ont inclus un 4^e-un filtre passe-bande pour réduire à la fois le bruit et la dérive.

Du banc d’essai au test en vol

Le capteur EAG a été connecté à un nanodrone disponible dans le commerce (Crazyflie 2) d’un volume de 85 cm² et pesant 23 grammes. En plus du capteur et de l’amplificateur EAG, ils ont ajouté une caméra à flux optique et un télémètre laser infrarouge fournis par le fournisseur pour les mesures de vitesse afin que le Crazyflie puisse planer sans dériver malgré l’absence de système GPS. L’unité comprend également un émetteur-récepteur radio Bluetooth. Le nanodrone peut voler jusqu’à sept minutes avec sa batterie de 250 mAh.

Pour un drone guidé par les odeurs, l’algorithme de navigation est essentiel. L’équipe a imité la stratégie utilisée par les papillons de nuit et autres insectes, dans laquelle ils volent souvent dans un modèle de projection par vent de travers et se dirigeront face au vent s’ils rencontrent une odeur intéressante.

Au cours de leurs vols d’essai avec diverses brises induites, le drone a décollé, a plané pour s’orienter face au vent et a commencé sa stratégie de «lancer et monter» (Fig. 5). Lorsqu’un produit chimique volatil était détecté, Smellicopter «bondissait» de 25 cm au vent, puis reprenait la coulée. Cela a rapproché le drone de la source à chaque surtension tout en lui permettant de se «verrouiller» même s’il y avait un léger changement dans la direction du vent ou le mouvement de la source – qui sont tous deux des considérations du monde réel.

5. Ce diagramme d’état simplifié montre les principes de base de l’approche par projection et surtension utilisée par le Smellicopter pour localiser, suivre et approcher la source de l’odeur cible.

Notez que tout comme pour les mites, l’algorithme exige que le Smellicopter soit face au vent la plupart du temps. Cela nécessiterait normalement des mesures complexes du débit du vent, suivies de calculs intensifs et de la commande moteur ultérieure. Au lieu de cela, ils ont opté pour une approche simple et passive consistant à ajouter deux aubes très légères en tant que «queues» similaires à une girouette pour orienter automatiquement le drone face au vent.

Les résultats des tests et le suivi des zigs et zags de la trajectoire de vol ont montré que Smellicopter a trouvé sa cible rapidement et est venu avec quelques centimètres de la source, tout en évitant les obstacles durs via quatre capteurs infrarouges effectuant 10 mesures par seconde.

Sawyer Fuller, professeur adjoint de génie mécanique à l’UW et co-conseiller, a déclaré: «La recherche de sources de panache est une tâche parfaite pour les petits robots comme le Smellicopter.» Il a ajouté que «les robots plus grands sont capables de transporter un éventail de capteurs différents et de les utiliser pour construire une carte de leur monde. Nous ne pouvons pas vraiment faire cela à petite échelle. Mais pour trouver la source d’un panache, tout ce qu’un robot doit vraiment faire est d’éviter les obstacles et de rester dans le panache pendant qu’il se déplace au près. Il n’a pas besoin d’une suite de capteurs sophistiqués pour cela, il doit simplement être capable de bien sentir. Et c’est ce que fait vraiment le Smellicopter. »

L’équipe a déposé une demande de brevet (numéro de demande US20200371530A1) pour ce drone unique. Le projet complet et fascinant est décrit dans un article clair et bien rédigé.Un véhicule aérien autonome de la taille d’une paume de la main à guidage par odeurs bio-hybride, » Publié dans Bioinspiration et biomimétique de la PIO; alors que ce papier est derrière un paywall, heureusement une pré-impression complète est publiée ici. De plus, étant donné la nature du projet, il n’est pas surprenant qu’il y ait aussi une vidéo nette et bien faite: