美國聖路易斯華盛頓大學(Washington University in St. Louis)的工程師團隊們從蝗蟲的嗅覺得到了靈感,開發出新式的仿生機器人感測系統,可用於嗅出爆裂物等安全相關的應用。

該校工程與應用科學系生物醫學工程副教授Baranidharan Raman並由美國海軍研究室(ONR)獲得了75萬美元的贊助,利用這項高度靈敏的嗅覺系統為基礎,開發出生物混合鼻。

Raman表示,生物感測系統較其他的同類型工程系統複雜,包括負責嗅覺感官的化學感測系統。雖然這種嗅覺感官是一種原始本能,但仍留存於許多脊椎動物和無脊椎動物物種中。

「融合生物學的解決方案可用於解決非侵入式或化學感測等問題,而且到處都複製了相同的設計與運算原則,」Raman說:「因此,瞭解基本的嗅覺處理原則對於由生物學啟發的工程解決方案不可或缺。」

多年來,在ONR的資金贊助下,Raman一直在研究蝗蟲的腦部如何以相當簡單的方式接收與處理感官訊號。他和他的團隊發現,氣味激發在腦部的動態神經活動,讓蝗蟲能正確地辨識特殊的氣味,即使是在其他氣味共同存在的情況下。在其他研究方面,研究團隊還發現,蝗蟲可以被訓練於辨識某種氣味後,即使是在複雜的情況下也能順利辨識出來,例如與其他味道重疊或在不同的背景條件下。

「為什麼要多此一舉?何不直接利用生物解決方案?」Raman指出,「即使是最先進的微型化學感測裝置也有許多感測器。另一方面,如果你觀察昆蟲的天線——其化學感測器所在之處,也有成千上百萬的感測器以及各種類型。」

研究團隊還打算在昆蟲自由活動、探索與解碼在其環境中出現的氣味時,監控其大腦的神經活動。

這種途徑還需要低功耗的電子元件進行收集、記錄以及傳送資料。聖路易斯華盛頓大學電腦科學與工程系教授Shantanu Chakrabartty將與Raman合作,共同開發這項研究所需的元件。

研究團隊還計劃透過遙控的方式,用蝗蟲作為收集樣本的仿生機器人系統。多功能奈米材料專家暨該校材料科學助理教授Srikanth Singamaneni將開發一種由生物相容絲製成的電漿「紋身紙」,可貼在蝗蟲的翅膀(可產生微熱),以及有助於透過遙控方式引導蝗蟲朝向特定的位置。此外,鑲嵌電漿奈米結構的紋身貼紙還可收集鄰近的揮發性有機化合物樣本,讓研究人員使用傳統方法,為化合物的化學組成執行次級分析。

「在許多工程應用中,狗的嗅覺系統仍然是先進感測系統,包括國土安全和醫療診斷都仍在使用嗅探犬等,」Raman說,「然而,訓練和制約這些動物所需的時間與困難度,加上缺少有力的解碼程序以擷取來自生物系統的化學傳送資訊,對於更廣泛的應用帶來重大挑戰。」

「我們期望這項研究能開發並驗證這項基於蝗蟲的化學感測途徑,進一步用於偵測爆裂物。」

編譯:Susan Hong

(參考原文:Cyborg insects as wireless biorobotic sensing machines,by Jean-Pierre Joosting)