Hitta källan till lukt i en turbulent miljö - ett vanligt beteende för levande organismer - är icke-trivial på grund av den slumpmässiga naturen av blandning. Här analyserar vi de statistiska fysikaspekterna av problemet och föreslår en effektiv strategi för luktsökning som kan fungera i turbulenta plymer. Algoritmen kombinerar den maximala sannolikheten för att källpositionen ska sluta sig till en aktiv sökning. Vårt tillvägagångssätt ger den teoretiska grunden för utformningen av luktrobotar och de kvantitativa verktygen för analys av de observerade luktsökbeteenden hos levande varelser (t.ex. luktmodulerad optomotorisk anemotax av mal). Olfaktoriska sökstrategier är intressanta på grund av deras relevans för djurens beteende [1, 2, 3, 4, 5, 6] och på grund av deras potentiella nytta i praktiska tillämpningar (t.ex. sökande efter kemiska läckor, droger och sprängämnen [27] ). Både försöket att karakterisera och förstå luktbeteendet hos levande organismer [1, 2, 3, 4, 5, 6] och den senaste tidens försök att konstruera och bygga "sniffmaskiner" -robotar som navigerar med lukter som vägledning [27, 26, 28, 29] står inför det gemensamma problemet att förstå hur den information som erhålls från sporadisk upptäckt av lukt som sprids i ett naturligt turbulent flöde effektivt kan användas för att lokalisera källan. Här ska vi diskutera de statistiska aspekterna av turbulent luktspridning och föreslå en ny och väldefinierad sökalgoritm, som vi först ska definiera i samband med en förenklad modell av den turbulenta plymen och senare upprepa i den form som gäller för den naturliga miljön. Den föreslagna sökalgoritmen kan användas i robotiska tillämpningar och ger en rimlig algoritmisk tolkning av aspekter av insektsolfaktorns sökbeteende. Den mest kända strategin för att lokalisera källan till ett ämne är cellgifter [7, 30] som består av rörelse i riktning mot den lokala koncentrationsgradienten. Kemotaxi verkar på små skalor, där ämnet sprids genom diffusion och koncentrationsfältet är jämnt, vilket är lämpligt för miljön hos bakterier, amöbae eller enstaka eukaryota celler [30, 31]. Å andra sidan spårar större djur lukter i turbulenta flöden, t.ex. i atmosfären, måste ta itu med den komplexa fluktuerande struktur lukt plommon orsakas av slumpmässigheten i flödet som sprider det. Detta gör sökningen till en mycket mer komplex uppgift. Lukten är inte alltid närvarande och när det upptäcks, den lokala koncentrationsgradienten pekar normalt inte mot källan [2, 8, 9, 10, 11]. En mer komplex strategi krävs och ytterligare information såsom den aktuella vindriktningen (och hastigheten) är mycket värdefull. En av de bäst karakteriserade luktsökningsbeteenden är "odormodulerad optomotorisk anemotaxis", som används av män av vissa malarter (se [1, 2] ) för att lokalisera källan till en feromon (dvs. Potentiell mate), och som innebär, förutom luktsinnet, förmågan att bestämma vindriktningen *. Malens luktjakt flyg uppvisar en motsvängande mönster: en följd av svängar alternativt till vänster och höger med avseende på vindriktning †. Motsvängning klassificeras vidare som i) gjutning och ii) sicksackning [15, 16, 17, 18]. De två skiljer sig i omfattningen av uppvinden progression: "zigzagging" är motsvängning med en betydande resulterande rörelse- * Moths bestämma momentant riktning vind visuellt genom att titta på rörelsen av objekt på marken: när malen är på väg mot uppvind sin kropp axel är i linje med riktningen för rörelse av objekten (se C. T. David, Ref. [1] s. 49). † Det har visat sig att motsvängarna är självstyrda i motsats till lutningsstyrda [15, 16], vilket innebär att malen gör varje sväng inte för att den når gränsen för plymen och känner den laterala lutningen av koncentrationen, men på grund av inre svänggenerator som växlar mellan höger och vänster.
Balkovskijs och Shraiman Ref:s arbete med statistisk analys av plymen är också relevant.
Olfactory search at high Reynolds number
{'venue': 'ArXiv', 'journal': 'ArXiv', 'mag_field_of_study': ['Computer Science', 'Medicine', 'Physics']}