الهام گرفتن از مگسها برای پهپادهای تشخیص بوی نشت مواد شیمیایی
پژوهشگران پاسخ به پدیده گردش مگسها به دور خود در زمانی که هوا ساکن است و اهمیت آن را یافتهاند.
یک تیم از دانشگاه نوادا احتمالاً کلیدی را برای ایمنی عمومی پیدا کردهاند—بهویژه چگونه میتوان سیستمهای رباتیک را بهتر آموزش داد تا نشتهای شیمیایی را ردیابی کنند.
فلیوریس ون برگوگل، دانشیار دانشگاه، در مصاحبه با مهندسی جالب این پدیده را توضیح داد.
مگسها از نشانههای محیطی برای تشخیص و واکنش به جریانات هوا و جهت باد برای یافتن غذا استفاده میکنند. در شرایط بادی، رفتار 'نوسان و هجوم' را نشان میدهند—بعد از تشخیص یک شیر موجی، به سمت باد هجوم میآورند و زمانی که بو را گم میکنند به پهلو حرکت میکنند.
آنها همچنین یک رفتار خودکار دیگر به نام 'نشستن و دایره زدن' را کشف کردهاند که در آن مگسها ارتفاع خود را کاهش داده و چرخشهای سریع و مکرر در جهت ثابت انجام میدهند. این رفتار حتی پایدارتر و مکررتر از نوسان و هجوم است.
جزئیات مطالعه تیم در مجله زیستشناسی کنونی منتشر شده است.
استراتژیهای جستجوی دروزوفیلا
سرعت سیال اطراف یک جاندار برای موفقیت آن در دنبال کردن یک مسیر شیمیایی تا منبع آن بسیار مهم است. وقتی در جستجوی بویی شرکت دارند، حیوانات شناگر و پرنده معمولاً با جهتدهی خود به سمتی که باد یا جریانی از آب میآید، شروع میکنند.
اما مشخص نیست که جانداران چگونه استراتژیهای خود را هنگامی که نشانههای جهتدهی غایب یا ناسازگار هستند، تغییر میدهند، همانطور که اغلب در طبیعت اتفاق میافتد.
با استفاده از جعبهابزار ژنتیکی دروزوفیلا ملانوگاستر، تیم یک روش اپتوژنتیکی برای شبیهسازی دقیق تجارب بویایی 'مجازی' برای مگسهای آزادپرواز در باد یا هوای ساکن توسعه دادند.
در باد، مگسها در حدود 100 میلیثانیه به سرعت به سمت باد چرخش میکنند، نشاندهنده این که جهت باد را قبل از حرکت به سمت باد برآورد میکنند. در هوای ساکن، مگسها از الگوی جستجوی 'نشستن و دایره زدن' استفاده میکنند و چرخشهای 60 درجهای منظم در 3–4 هرتز انجام میدهند.
پژوهشگران میگویند یافتهها نشان میدهند که دروزوفیلا قبل از انتخاب یک استراتژی جستجو، وجود و جهت باد را ارزیابی میکند. در هر دو حالت باد و هوای ساکن، مگسها پس از تشخیص بو، سرعت خود را کاهش داده و چرخشهای سریع انجام میدهند.
این رفتارها با پیشبینیهای نظری در مورد چگونگی سنجش حشرات از ویژگیهای باد در حین پرواز همخوانی دارند، و نشان میدهند که مگسها بهطور فعال محیط باد خود را قبل از شروع جستجوی خود حس میکنند.
'ما نمیدانیم چگونه بهطور کارآمد منبع یک ماده شیمیایی جابهجا شده با باد را پیدا کنیم. اما حشرات به طرز قابلتوجهی در ردیابی شیرههای شیمیایی خوب هستند، و اگر واقعاً بفهمیم آنها چگونه این کار را میکنند، شاید بتوانیم پهپادهای ارزانی را آموزش دهیم تا از فرآیند مشابهی برای یافتن منبع مواد شیمیایی و نشتهای شیمیایی استفاده کنند،' برگوگل گفت در اظهاراتی که در ایورکالر منتشر شده است.
تطبیق ردیابی شیره
تا به حال، توسعه سیستمهای رباتیک برای نظارت بر شیرهها عمدتاً بر مفهوم نوسان و هجوم، که در همه گونههای ردیاب شیره مشترک است، تکیه داشته است.
تحقیقات تیم نشان میدهد که در هوای ساکن، حیوانات (در این مورد، مگسها ، اما پژوهشگران فرض میکنند دیگران نیز این کار را میکنند) از تاکتیک دیگری استفاده خواهند کرد.
'بنابراین اگر کسی بخواهد یک سیستم رباتیکی طراحی کند که شیرههای شیمیایی را ردیابی کند، احتمالاً میخواهید که در فضاهای باز در باد نوعی رفتار نوسان و هجوم داشته باشد، اما اگر به ساختمانی برسد و وارد شود که هوا نسبتاً ساکن است، تغییر به یک رفتار نشستن و دایره زدن ممکن است ایده خوبی باشد،' برگوگل به مهندسی جالب گفت.
تشخیص جهت باد برای مگسها و پهپادها چالشبرانگیز است. فرضیه تیم تحقیقاتی پیشنهاد میدهد که مگسها شاید این دشواری را با تغییر جهت و کاهش سرعت حل میکنند، استراتژیای که میتواند برای پهپادها نیز مفید باشد. آنها توصیه میکنند که پهپادها این رویکرد را برای بهبود برآورد جهت باد اختیار کنند. تیم در حال حاضر کار بر توسعه این روش است.
از محدودیتها که بگذریم، چالشهای اصلی در توسعه سنسورهای عملی در حساسیت و اندازه آنها نهفته است. مگسها سیستمهای بسیار کوچک اما فوقالعاده حساس برای تشخیص مواد شیمیایی و جریانات هوا دارند.
پژوهشگران روی سیستمهای الهامگرفته از زیست و ترکیب زیستی برای بهبود سنسورهای فعلی کار میکنند. یک رویکرد شامل استفاده از آنتنهای شبپره برای تشخیص مواد شیمیایی در پهپادها است. مطالعه دیگری در حال توسعه سنسورهای جریان هوا در مقیاس کوچک الهامگرفته از حشرات است.