NhatDuy
Intern Writer
Máy bay không người lái thông thường sử dụng cảm biến thị giác để điều hướng. Tuy nhiên, các điều kiện môi trường như ẩm ướt, ánh sáng yếu và bụi có thể cản trở hiệu quả của chúng, hạn chế việc sử dụng chúng ở những khu vực bị thiên tai. Các nhà nghiên cứu từ Nhật Bản đã phát triển một máy bay không người lái lai sinh học mới bằng cách kết hợp các thành phần rô-bốt với ăng-ten cảm biến mùi từ bướm đêm. Sáng kiến của họ, tích hợp sự nhanh nhẹn và chính xác của rô-bốt với các cơ chế cảm biến sinh học, có thể nâng cao khả năng ứng dụng của máy bay không người lái trong điều hướng, cảm biến khí và ứng phó thảm họa.
Những tiến bộ công nghệ đã dẫn đến sự phát triển của máy bay không người lái với nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm dẫn đường, cảm biến khí, cơ sở hạ tầng và vận tải, hình ảnh và ứng phó thảm họa. Các hệ thống dẫn đường thông thường trong máy bay không người lái dựa vào các cảm biến thị giác như hình ảnh nhiệt và phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng (LiDAR). Tuy nhiên, các điều kiện môi trường như ánh sáng yếu, bụi và độ ẩm có thể làm giảm chức năng của chúng, làm nổi bật nhu cầu về các giải pháp thay thế linh hoạt hơn.
Trong tự nhiên, động vật, chim và côn trùng có hệ thống định hướng cố hữu dựa trên khứu giác giúp chúng xác định vị trí nguồn thức ăn, trốn tránh kẻ săn mồi và thu hút bạn tình tiềm năng, do đó thúc đẩy sự sống còn tổng thể của chúng. Côn trùng, đặc biệt là bướm đêm đực, có thể phát hiện ra pheromone giới tính trong gió từ khoảng cách, trong một số trường hợp, kéo dài tới vài km thông qua một quá trình được gọi là định vị nguồn mùi.
Máy bay không người lái lai sinh học tích hợp các cơ chế cảm biến sinh học này với máy móc nhân tạo tiên tiến hứa hẹn sẽ vượt qua những thách thức liên quan đến công nghệ robot hiện có.
Trong bối cảnh này, một nhóm các nhà nghiên cứu do Phó Giáo sư Daigo Terutsuki từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Robot, Khoa Khoa học và Công nghệ Dệt may, Đại học Shinshu, Nhật Bản dẫn đầu, cùng với Phó Giáo sư Toshiyuki Nakata và Chihiro Fukui từ Đại học Chiba, Nhật Bản, đã sử dụng râu của loài bướm đêm để phát triển một máy bay không người lái lai sinh học mới có khả năng cảm biến và theo dõi mùi. Nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên tạp chí npj Robotics vào ngày 5 tháng 2 năm 2025.
Giải thích động lực đằng sau nghiên cứu này, Tiến sĩ Terutsuki cho biết, "Nhóm của chúng tôi đang tiếp tục phát triển máy bay không người lái lai sinh học sử dụng râu côn trùng sống làm thành phần cảm biến mùi. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nỗ lực kết hợp các chuyển động và cơ chế năng động của các sinh vật sống để nâng cao đáng kể hiệu suất của máy bay không người lái theo dõi mùi của chúng tôi. Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này với niềm tin rằng những tiến bộ này sẽ cho phép phát hiện mùi hiệu quả hơn và mở rộng ứng dụng trong các hoạt động cứu hộ."
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một máy bay không người lái lai sinh học được trang bị cảm biến điện tử ăng ten (EAG) dựa trên ăng ten côn trùng với độ nhạy và độ đặc hiệu cao. Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị hạn chế bởi phạm vi phát hiện ngắn dưới hai mét. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm đã cải tiến phiên bản chính bằng cách kết hợp thêm các cơ chế mô phỏng quá trình sinh học ở côn trùng. Côn trùng tạm dừng không liên tục trong quá trình theo dõi mùi để cải thiện độ chính xác tìm kiếm. Tuy nhiên, các mô hình tìm kiếm mùi bằng rô-bốt không có những lần tạm dừng như vậy trong quá trình hoạt động của chúng, điều này có thể ảnh hưởng đến phạm vi phát hiện của chúng.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một "thuật toán xoay từng bước" mô phỏng các điểm dừng của côn trùng trong quá trình cảm biến mùi, cải thiện đáng kể độ chính xác của phát hiện. Họ cũng thiết kế lại các điện cực và cảm biến EAG để phù hợp hơn với cấu trúc của râu bướm đêm. Giao diện liền mạch giữa cảm biến EAG có thể điều chỉnh độ lợi (phản ứng với cường độ tín hiệu điện) và râu côn trùng đã cải thiện đáng kể hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một vỏ bọc hình phễu để giảm sức cản luồng không khí và áp dụng một lớp phủ dẫn điện bên trong vỏ bọc để giảm thiểu nhiễu do tích điện tĩnh. Những thay đổi này dẫn đến khả năng cảm biến nguồn mùi vượt trội trong các điều kiện môi trường và nồng độ mùi khác nhau, với phạm vi phát hiện hiệu quả lên đến 5 mét.
Khả năng ứng dụng đa dạng của máy bay không người lái lai sinh học cảm biến mùi có khả năng cách mạng hóa việc phát hiện rò rỉ khí trong các cơ sở hạ tầng quan trọng, phát hiện cháy sớm, tăng cường an ninh công cộng tại các sân bay bằng cách phát hiện các chất nguy hiểm như ma túy và chất nổ, đồng thời cho phép ứng phó thảm họa tốt hơn bằng cách cải thiện các hoạt động cứu hộ.
Công nghệ này có thể đặc biệt hữu ích ở những vùng địa lý dễ xảy ra thiên tai như động đất cho mục đích cứu hộ. "Theo truyền thống, các nỗ lực tìm kiếm và cứu hộ dựa vào tìm kiếm bằng mắt thủ công do không có công nghệ xác định có khả năng định vị hiệu quả những cá nhân đang gặp nạn. Máy bay không người lái lai sinh học tiên tiến được phát triển trong nghiên cứu này có khả năng cho phép những người ứng cứu nhanh chóng định vị những người sống sót bằng cách theo dõi mùi, cuối cùng cứu được nhiều mạng sống hơn khi từng giây đều có giá trị." Tiến sĩ Terutsuki kết luận. (Sciencedaily)
Trong tự nhiên, động vật, chim và côn trùng có hệ thống định hướng cố hữu dựa trên khứu giác giúp chúng xác định vị trí nguồn thức ăn, trốn tránh kẻ săn mồi và thu hút bạn tình tiềm năng, do đó thúc đẩy sự sống còn tổng thể của chúng. Côn trùng, đặc biệt là bướm đêm đực, có thể phát hiện ra pheromone giới tính trong gió từ khoảng cách, trong một số trường hợp, kéo dài tới vài km thông qua một quá trình được gọi là định vị nguồn mùi.
Máy bay không người lái lai sinh học tích hợp các cơ chế cảm biến sinh học này với máy móc nhân tạo tiên tiến hứa hẹn sẽ vượt qua những thách thức liên quan đến công nghệ robot hiện có.
Trong bối cảnh này, một nhóm các nhà nghiên cứu do Phó Giáo sư Daigo Terutsuki từ Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Robot, Khoa Khoa học và Công nghệ Dệt may, Đại học Shinshu, Nhật Bản dẫn đầu, cùng với Phó Giáo sư Toshiyuki Nakata và Chihiro Fukui từ Đại học Chiba, Nhật Bản, đã sử dụng râu của loài bướm đêm để phát triển một máy bay không người lái lai sinh học mới có khả năng cảm biến và theo dõi mùi. Nghiên cứu này đã được công bố trực tuyến trên tạp chí npj Robotics vào ngày 5 tháng 2 năm 2025.
Giải thích động lực đằng sau nghiên cứu này, Tiến sĩ Terutsuki cho biết, "Nhóm của chúng tôi đang tiếp tục phát triển máy bay không người lái lai sinh học sử dụng râu côn trùng sống làm thành phần cảm biến mùi. Trong nghiên cứu này, chúng tôi nỗ lực kết hợp các chuyển động và cơ chế năng động của các sinh vật sống để nâng cao đáng kể hiệu suất của máy bay không người lái theo dõi mùi của chúng tôi. Chúng tôi bắt đầu nghiên cứu này với niềm tin rằng những tiến bộ này sẽ cho phép phát hiện mùi hiệu quả hơn và mở rộng ứng dụng trong các hoạt động cứu hộ."
Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một máy bay không người lái lai sinh học được trang bị cảm biến điện tử ăng ten (EAG) dựa trên ăng ten côn trùng với độ nhạy và độ đặc hiệu cao. Tuy nhiên, ứng dụng của nó bị hạn chế bởi phạm vi phát hiện ngắn dưới hai mét. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm đã cải tiến phiên bản chính bằng cách kết hợp thêm các cơ chế mô phỏng quá trình sinh học ở côn trùng. Côn trùng tạm dừng không liên tục trong quá trình theo dõi mùi để cải thiện độ chính xác tìm kiếm. Tuy nhiên, các mô hình tìm kiếm mùi bằng rô-bốt không có những lần tạm dừng như vậy trong quá trình hoạt động của chúng, điều này có thể ảnh hưởng đến phạm vi phát hiện của chúng.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một "thuật toán xoay từng bước" mô phỏng các điểm dừng của côn trùng trong quá trình cảm biến mùi, cải thiện đáng kể độ chính xác của phát hiện. Họ cũng thiết kế lại các điện cực và cảm biến EAG để phù hợp hơn với cấu trúc của râu bướm đêm. Giao diện liền mạch giữa cảm biến EAG có thể điều chỉnh độ lợi (phản ứng với cường độ tín hiệu điện) và râu côn trùng đã cải thiện đáng kể hiệu suất và khả năng vận hành của hệ thống.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một vỏ bọc hình phễu để giảm sức cản luồng không khí và áp dụng một lớp phủ dẫn điện bên trong vỏ bọc để giảm thiểu nhiễu do tích điện tĩnh. Những thay đổi này dẫn đến khả năng cảm biến nguồn mùi vượt trội trong các điều kiện môi trường và nồng độ mùi khác nhau, với phạm vi phát hiện hiệu quả lên đến 5 mét.
Khả năng ứng dụng đa dạng của máy bay không người lái lai sinh học cảm biến mùi có khả năng cách mạng hóa việc phát hiện rò rỉ khí trong các cơ sở hạ tầng quan trọng, phát hiện cháy sớm, tăng cường an ninh công cộng tại các sân bay bằng cách phát hiện các chất nguy hiểm như ma túy và chất nổ, đồng thời cho phép ứng phó thảm họa tốt hơn bằng cách cải thiện các hoạt động cứu hộ.
Công nghệ này có thể đặc biệt hữu ích ở những vùng địa lý dễ xảy ra thiên tai như động đất cho mục đích cứu hộ. "Theo truyền thống, các nỗ lực tìm kiếm và cứu hộ dựa vào tìm kiếm bằng mắt thủ công do không có công nghệ xác định có khả năng định vị hiệu quả những cá nhân đang gặp nạn. Máy bay không người lái lai sinh học tiên tiến được phát triển trong nghiên cứu này có khả năng cho phép những người ứng cứu nhanh chóng định vị những người sống sót bằng cách theo dõi mùi, cuối cùng cứu được nhiều mạng sống hơn khi từng giây đều có giá trị." Tiến sĩ Terutsuki kết luận. (Sciencedaily)
