Mit Insektenfühlern: Bio-Hybrid-Drohne orientiert sich nach Geruch
Visuelle Sensoren funktionieren bei extremen Bedingungen in Drohnen nicht. Warum also nicht eine Drohne einfach nach Geruch orientieren lassen?
(Bild: Shinshu University)
Ein Forschungsteam der japanischen Shinshu University hat eine biohybride Drohne entwickelt, die ihre Umgebung über geruchssensible Fühler von Seidenraupenmotten, die mit Roboterelementen verbunden sind, wahrnehmen und darüber navigieren können. Die Drohne kann so auch in Umgebungen navigieren, in denen wenig bis keine Sicht besteht.
Die meisten Drohnen benutzen visuelle Sensoren, um sich in der Umgebung zurechtzufinden. Das können etwa Kameras, Wärmebildkameras, Lichterkennung oder Lidar zur Entfernungsmessung sein. In dunkler, verregneter oder verrauchter Umgebung funktionieren solche Sensoren aber nur eingeschränkt oder mitunter gar nicht, sodass Drohnen möglicherweise unter extremen Bedingungen nicht eingesetzt werden können.
Die Forscher der Shinshu University haben sich ein Vorbild an der Natur genommen, wie sie in der Studie "Advanced bio-hybrid drone for superior odor-source localization: high-precision and extended-range detection capabilities" schreiben, die in npj Robotics erschienen ist. Tiere, Vögel und Insekten nutzen etwa ein Navigationssystem auf Basis von Gerüchen. Es erlaubt ihnen, schnell Nahrung zu finden, etwaigen Raubtieren auszuweichen und potenzielle Partner zur Paarung zu finden. Die Orientierung nach Geruch wollten die Wissenschaftler auf eine Drohne übertragen, indem sie Teile der Geruchssensorik lebender Organismen mit Elektronik auslesbar machen.
Das Forschungsteam entschied sich für diesen Zweck für den Einsatz von Fühlern der Seidenraupenmotte, die darüber Gerüche wahrnimmt. Die Drohne soll so bestimmten Gerüchen folgen und entsprechend navigieren können.
Mit Insektenfühlern Gerüchen folgen
Für die Verwendung in einer Drohne entwickelten die Wissenschaftler einen Elektroantennografie-Sensor (EAG), in dem sie die Signale der Insektenfühler über Elektroden auslesbar machten.
In einem ersten Schritt konnte der Sensor jedoch nur Gerüche in weniger als zwei Metern wahrnehmen. In einer weiteren Version führten sie verschiedene Verbesserungen ein, um die Reichweite zu steigern. Zunächst stellten sie fest, dass Insekten bei ihrer Geruchssuche Pausen einlegen, um eine präzisere Geruchsortung zu erreichen. Dies simulierten die Forscher, indem sie ihrem Sensor einen Rotationsalgorithmus hinzufügten, der die Pausen der Insekten nachahmt.
Zudem erhöhten die Forscher die Leistung des Sensors, indem sie den Sensor besser an die Struktur der Insektenfühler anpassten. So konnten die elektrischen Signale besser erfasst und ausgewertet werden. Den Sensor selbst brachten die Wissenschaftler in einem trichterförmigen Gehäuse unter, um hinderliche Luftverwirbelungen während des Drohnenflugs zu minimieren. Das Innere versahen sie mit einer leitfähigen Beschichtung, um Interferenzen durch elektrostatische Aufladung zu vermeiden und damit die Signalqualität zu verbessern.
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Die vorgenommenen Modifikationen führten zum Erfolg: Geruchsquellen konnten unter verschiedenen Umgebungsbedingungen und Geruchskonzentrationen besser erfasst werden. Die Reichweite des Sensors erhöhte sich auf fünf Meter. Die Bio-Hybrid-Drohne konnte so Gerüchen folgen und eine Geruchsquelle ausfindig machen.
Das Team geht davon aus, dass sich ihre Drohne für den Einsatz bei Search&Rescue-Aufgaben eignet. So könnten etwa Gerüche von vermissten Personen aufgespürt und verfolgt werden. Auch sei es möglich, mit der Drohne frühzeitig Gaslecks und gefährliche Stoffe aufzuspüren, wie Sprengstoff und Drogen.
(olb)
