研究揭示蚕蛾的气味检测如何改善机器人技术

Josiah02

家蚕蛾（Bombyx mori）是一种因驯化而不再飞行的昆虫。雄蛾利用触角探测雌蛾散发的信息素，并做出非常敏锐的反应，已被用作研究其气味源定位的模型昆虫。
飞虫飞行时会扇动翅膀，蚕蛾在探测到信息素时也会扇动翅膀（称为扇动），尽管它们不会飞。由于信息素分子在空气中移动，因此翅膀扇动产生的气流无疑对气味探测有很大影响。然而，这种翅膀扇动的影响尚不清楚。
为了解决这个问题，千叶大学工程研究生院的 Toshiyuki Nakata 博士领导的一组科学家研究了家蚕如何检测信息素。“我们知道蚕蛾通过拍打翅膀来引起周围气流来检测信息素。然而，这种翅膀拍打对蛾子定位气味源的能力的确切影响尚不清楚，”Nakata 解释道，同时详细阐述了进行这项研究的理由。
他们的研究于 2024 年 8 月 2 日发表在《科学报告》上，采用高速摄影测量法（一种使用高速摄像机捕捉和重建物体运动和几何形状的技术）通过计算分析家蚕翅膀运动的空气动力学后果。研究人员精心记录了扇动过程中的翅膀运动，并建立了昆虫和周围气流的详细计算模型。随后，他们利用模拟数据计算了扇动蚕蛾周围类似信息素分子的粒子的运动。
这项研究的一项重要发现是，家蚕会选择性地从正面采集信息素。家蚕蛾通过旋转身体并扇动翅膀来扫描空间，以找到信息素来源。定向采样信息素分子在寻找气味源时特别有用，因为家蚕蛾可以在检测到信息素后确定气味羽流的方向。
毋庸置疑，这项研究的意义不仅限于昆虫研究。从家蚕如何操纵气流中获得的见解可能会推动机器人气味源定位技术的进步。由 Daigo Terutsuki 博士领导的团队正在开发配备昆虫天线的无人机，用于气味检测，其潜在应用包括紧急情况下定位人员。
“这项研究的结果强调了在使用飞行机器人寻找气味源时创造定向气流的重要性。这涉及仔细调整无人机的方向以及其螺旋桨和气味传感器的配置，以优化检测能力，”Nakata 博士指出。
此外，该研究强调未来的研究需要考虑气流湍流和天线结构等环境因素，这些因素也会影响气味检测。
“目前，机器人严重依赖视觉和听觉传感器进行导航。然而，正如灾难救援犬所证明的那样，利用嗅觉可以非常有效地定位人类。虽然嗅觉在机器人中的应用仍处于早期阶段，但这项研究可能有助于开发在灾难情况下有效搜索气味源的机器人，”Nakata 博士说。
总之，这项研究不仅增进了我们对昆虫气味检测策略的认识，而且还为下一代空中气味检测机器人提供了宝贵的设计原则。
该团队包括共同第一作者、信州大学纺织科学与技术学院的 Daigo Terutsuki、千叶大学理工学院的 Chihiro Fukui、东京大学先进科学技术研究中心的 Ryohei Kanzaki 和千叶大学工程学院的 Hao Liu。