水凝胶电极提升了无人机昆虫气味传感器的稳定性

无人机越来越多地被用于灾害响应、基础设施检查和环境监测。然而，大多数无人机系统主要依赖摄像头和其他视觉传感器，这些传感器在烟雾、尘埃、黑暗或倒塌建筑物中可能失效。气味感应技术可以作为一种宝贵的补充能力，使无人机能够检测到仅靠目视感知无法识别的气体泄漏和化学物质排放。然而，生物杂交传感器的实际应用受到重大挑战：切除的昆虫触角随着干燥会逐渐失去信号质量，电气界面变得不稳定。

为应对这一挑战，新州大学和千叶大学的研究人员开发了一种保水水凝胶电极，稳定昆虫触角与记录电极的界面，延长了生物杂交气味传感器的可用记录时间。

这些传感器记录电前膜图（EAG）信号——昆虫触角暴露于气味时产生的电反应。该研究发表在《传感器与执行器B：化学》杂志上。该研究由信州大学纺织科学技术学部的照月大吾副教授领导，联合研究生大森玲奈、本科生近藤纪惠、新州大学影岛洋介副教授以及千叶大学中田敏之副教授共同完成。

“提升气味追踪无人机搜索距离只是挑战的一部分。其生物传感器还必须保持足够稳定，以便在移动平台上工作。因此，我们重点研究了天线-电极界面，开发出一种有助于维持水润接触环境数小时的水凝胶结构，“辉月说。

为克服这些限制，电极结合了水凝胶、导电凝胶层、镀金芯和3D打印框架。保湿水凝胶在天线周围创造稳定环境，同时在EAG录制过程中保持可靠的电耦合。

团队利用从雄性蚕蛾（Bombyx mori）切除的触角评估了水凝胶电极。在室内室温测试条件下，电极在七小时后保持了超过92%的初始EAG响应幅度。相比之下，传统的镀金槽金属电极比研究预设的50%实用性阈值低了四小时。电化学阻抗测量支持水凝胶电极组件在最初一小时内更稳定的电耦合。

为了验证稳定传感器是否能在移动平台上工作，研究人员将其安装在一架轻型无人机上。在概念验证实验中，传感器成功探测到气味诱发的EAG信号，而在独立的概念验证自由飞行测试中，EAG阈值穿越触发了程序化的停机和前进序列。这些实验并未展示最佳的气味-气源定位，而是表明稳定的生物杂交界面可以在测试飞行条件下支持无人机上的气味感知。

通过改善天线-电极界面的稳定性，水凝胶解决了实验室外部署昆虫气味传感器的关键障碍之一。水凝胶有助于保持水合的电接触，延长可用的EAG记录窗口数小时。这一更长的记录窗口有助于未来为移动机器人和环境监测开发生物杂交感测系统。

研究人员强调了稳定生物杂交气味感知在现实环境中的潜在影响。照月表示：“在日本等灾害多发地区，更持久的生物气味传感器可能成为未来地震搜救系统的关键组成部分。”他补充道：“在工业环境中，它们可以实现移动检测，检测那些对人类难以或危险进入区域的燃气泄漏或化学泄漏。”

该研究展示了通过设计一个简单的生物杂交界面，可以显著提升昆虫衍生气味传感器的实用性。通过扩展稳定的EAG记录并支持无人机安装的气味感知概念验证，这项工作为未来生物杂交感测平台奠定了基础，这些平台可支持灾害响应、危险化学品监测、基础设施检查和环境监测。

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