美国圣路易斯华盛顿大学(Washington University in St. Louis)的工程师团队们从蝗虫的嗅觉得到了灵感,开发出新式的仿生机器人感测系统,可用于嗅出爆炸物等安全应用。

该校工程与应用科学系生物医学工程副教授Baranidharan Raman并由美国海军研究室(ONR)获得了75万美元的赞助,利用这项高度灵敏的嗅觉系统为基础,开发出生物混合鼻。

Raman表示,生物感测系统较其他的同类型工程系统复杂,包括负责嗅觉感官的化学感测系统。虽然这种嗅觉感官是一种原始本能,但仍留存于许多脊椎动物和无脊椎动物物种中。

“融合生物学的解决方案可用于解决非侵入式或化学感测等问题,而且到处都复制了相同的设计与运算原则,”Raman说:“因此,了解基本的嗅觉处理原则对于由生物学启发的工程解决方案不可或缺。”

多年来,以及在ONR的资金赞助下,Raman一直在研究蝗虫的脑部如何以相当简单的方式接收与处理感官信号。他和他的团队发现,气味激发在脑部的动态神经活动,让蝗虫能正确地辨识特殊的气味,即使是在其他气味共同存在的情况下。在其他研究方面,研究团队还发现,蝗虫可以被训练于辨识某种气味后,即使是在复杂的情况下也能顺利辨识出来,例如与其他味道重迭或在不同的背景条件下。

“为什么要多此一举?何不直接利用生物解决方案?”Raman指出,“即使是最先进的微型化学感测装置也有许多传感器。另一方面,如果你观察昆虫的天线——其化学传感器所在之处,也有成千上百万的传感器以及各种类型。”

研究团队还打算在昆虫自由活动、探索与解碼在其环境中出现的气味时,监控其大脑的神经活动。

这种方法也需要低功率电子组件来收集,记录和传输数据。山塔努Chakrabartty,计算器科学与工程,在制定自己的自适应集成微系统实验室的微型电子产品的专家教授,将与拉曼合作开发的这部分工作。

这种途径也需要低功耗的电子组件进行收集、记录以及传送数据。圣路易斯华盛顿大学计算机科学与工程系教授Shantanu Chakrabartty将与Raman合作,共同开发这项研究所需的组件。

研究团队还计划透过遥控的方式,用蝗虫作为收集样本的仿生机器人系统。多功能奈米材料专家暨该校材料科学助理教授Srikanth Singamaneni将开发一种由生物兼容丝制成的电浆“纹身纸”,可贴在蝗虫的翅膀(可产生微热),以及有助于透过遥控方式引导蝗虫朝向特定的位置。此外,镶嵌电浆奈米结构的纹身贴纸还可收集邻近的挥发性有机化合物样本,让研究人员使用传统方法,为化合物的化学组成执行次级分析。

“在许多工程应用中,狗的嗅觉系统仍然是先进感测系统,包括国土安全和医疗诊断都仍在使用嗅探犬等,”Raman说,“然而,训练和制约这些动物所需的时间与困难度,加上缺少有力的译码程序以撷取来自生物系统的化学传送信息,对于更广泛的应用带来重大挑战。”

困难和进行训练和调节这些动物所需的时间,与缺乏鲁棒译码程序组合以提取来自生物系统的有关化学发送信息,姿势更广泛地应用一个显著挑战。

“我们期望这项研究能开发并验证这项基于蝗虫的化学感测途径,进一步用于侦测爆裂物。”

编译:Susan Hong

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