Un drone qui a du flair (vidéo)

Conçu par des chercheurs américains de l’Université de Washington, le Smellicopter est un drone d’un nouveau genre capable de détecter des odeurs grâce à l’antenne d’un papillon de nuit.

Un énorme avantage des drones est que ces petits robots peuvent se rendre dans des endroits où les gens ne peuvent pas, y compris des zones qui pourraient être trop dangereuses, telles que des structures instables après une catastrophe naturelle ou une région avec des appareils non explosés.

Les chercheurs souhaitent développer des dispositifs capables de naviguer dans ces situations en reniflant les produits chimiques dans l’air pour localiser les survivants de la catastrophe, les fuites de gaz, les explosifs, etc. Mais la plupart des capteurs créés par des personnes ne sont pas suffisamment sensibles ou rapides pour pouvoir trouver et traiter des odeurs spécifiques tout en volant à travers les panaches d’odeurs inégaux que ces sources créent.

Maintenant, une équipe dirigée par l’Université de Washington a développé Smellicopter: un drone autonome qui utilise une antenne en direct d’un papillon de nuit pour naviguer vers les odeurs. Smellicopter peut également détecter et éviter les obstacles lorsqu’il se déplace dans les airs. L’équipe a publié ces résultats le 1er octobre dans la revue IOP Bioinspiration & Biomimetics.

«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.»

Le papillon de nuit utilise ses antennes pour détecter les produits chimiques dans son environnement et se diriger vers des sources de nourriture ou des partenaires potentiels.

«Les cellules d’une antenne papillon amplifient les signaux chimiques», a déclaré le co-auteur Thomas Daniel , professeur de biologie à l’UW qui co-supervise la recherche doctorale d’Anderson. «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. »

L’équipe a utilisé des antennes du Manduca sexta hawkmoth pour Smellicopter. Les chercheurs ont placé des mites dans le réfrigérateur pour les anesthésier avant de retirer une antenne. Une fois séparée du papillon vivant, l’antenne reste biologiquement et chimiquement active jusqu’à quatre heures. Ce laps de temps pourrait être prolongé, ont déclaré les chercheurs, en stockant les antennes dans le réfrigérateur.

En ajoutant de minuscules fils à chaque extrémité de l’antenne, les chercheurs ont pu la connecter à un circuit électrique et mesurer le signal moyen de toutes les cellules de l’antenne. L’équipe l’a ensuite comparé à un capteur fabriqué par l’homme typique en plaçant les deux à une extrémité d’une soufflerie et des odeurs flottantes auxquelles les deux capteurs répondraient: un parfum floral et de l’éthanol, un type d’alcool. L’antenne a réagi plus rapidement et a mis moins de temps à récupérer entre les bouffées.

Pour créer Smellicopter, l’équipe a ajouté le capteur d’antenne à une plate- forme de drone quadricoptère open source disponible dans le commerce qui permet aux utilisateurs d’ajouter des fonctionnalités spéciales. Les chercheurs ont également ajouté deux ailettes en plastique à l’arrière du drone pour créer de la traînée et l’aider à être constamment orienté au vent.

«Du point de vue de la robotique, c’est du génie», a déclaré le co-auteur et co-conseiller Sawyer Fuller , professeur adjoint de génie mécanique à l’UW. «L’approche classique en robotique consiste à ajouter plus de capteurs, et peut-être à créer un algorithme sophistiqué ou à utiliser l’apprentissage automatique pour estimer la direction du vent. Il s’avère que tout ce dont vous avez besoin est d’ajouter un aileron.

Smellicopter n’a pas besoin de l’aide des chercheurs pour rechercher des odeurs. L’équipe a créé un protocole «casting et surtension» pour le drone qui imite la façon dont les mites recherchent les odeurs. Smellicopter commence sa recherche en se déplaçant vers la gauche sur une distance spécifique. Si rien ne dépasse un seuil d’odeur spécifique, Smellicopter se déplace alors vers la droite sur la même distance. Une fois qu’il détecte une odeur, il change son schéma de vol pour se diriger vers elle.

Smellicopter peut également éviter les obstacles à l’aide de quatre capteurs infrarouges qui lui permettent de mesurer ce qui l’entoure 10 fois par seconde. Lorsque quelque chose arrive à environ 20 centimètres du drone, il change de direction en passant à l’étape suivante de son protocole de coulée et de surtension.

« Donc, si Smellicopter lancait à gauche et qu’il y a maintenant un obstacle à gauche, il passera à droite », a déclaré Anderson. «Et si Smellicopter sent une odeur mais qu’il y a un obstacle devant lui, il continuera à lancer à gauche ou à droite jusqu’à ce qu’il soit capable d’avancer quand il n’y a pas d’obstacle sur son chemin.

Un autre avantage de Smellicopter est qu’il n’a pas besoin de GPS, a déclaré l’équipe. Au lieu de cela, il utilise une caméra pour surveiller son environnement, de la même manière que les insectes utilisent leurs yeux. Cela rend Smellicopter bien adapté pour explorer les espaces intérieurs ou souterrains comme les mines ou les tuyaux.

Lors de tests dans le laboratoire de recherche de l’UW, Smellicopter a été naturellement réglé pour voler vers les odeurs que les mites trouvent intéressantes, comme les parfums floraux. Mais les chercheurs espèrent que les travaux futurs pourraient permettre à l’antenne du papillon de nuit de détecter d’autres odeurs, telles que l’expiration de dioxyde de carbone d’une personne piégée sous des décombres ou la signature chimique d’un appareil non explosé.

«Trouver des sources de panache est une tâche parfaite pour les petits robots comme le Smellicopter et le Robofly », a déclaré Fuller. «Les robots plus grands sont capables de transporter une gamme 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 vent. Il n’a pas besoin d’une suite de capteurs sophistiqués pour cela – il doit juste pouvoir sentir bien. Et c’est ce que fait vraiment le Smellicopter.

Joseph Sullivan , étudiant au doctorat en génie électrique et informatique à l’UW, et Timothy Horiuchi , professeur agrégé en génie électrique et informatique à l’Université du Maryland College Park, sont également co-auteurs. Cette recherche a été financée par le National Defence and Engineering Graduate Fellowship , la Washington Research Foundation, la Chaire Joan and Richard Komen Endowed et le Air Force Office of Scientific Research with The Air Force Center of Excellence on Nature-Inspired Flight Technologies and Ideas .

(Source : Université de Washington)

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