<<
>>

Проект “Электронный нос”

  Представьте, что вы после продолжительной вечерней прогулки заходите в дом, где печется яблочный пирог. С первой же секунды ваш нос, почуяв и распознав аппетитный аромат, сообщит об этом вашему мозгу.

Как это происходит? Дело в том, что практически любое химическое вещество издает специфический запах. Попадая в нос, молекулы этого вещества, присутствующие в воздухе в небольших концентрациях, раздражают соответствующие рецепторы, передающие в мозг информацию о наличии в воздухе определенных веществ посредством нейронной сети.

Известно, что чувствительность носа у людей сильно различается. Профессиональные дегустаторы парфюмерии обладают уникальным “нюхательным” даром и превосходят в этом обладателей обычных носов. Специально натренированные собаки-ищейки способны “вынюхивать” определенные виды наркотических или взрывоопасных веществ. Но ни одна собака не в состоянии уловить запах человека в помещении, где сильно пахнет бензином, ацетоном, краской, или когда следы присыпаны пахучим веществом (например, табаком); на остроту обоняния самого первоклассного дегустатора сильно влияют такие факторы, как усталость, различные инфекции, токсические вещества, общее физическое состояние, субъективность в оценках восприятия и т.д.

С целью избавления от этих и других неудобств в настоящее время разрабатываются различные варианты так называемого “электронного носа”.

Электронный нос — это мультисенсорная система для скоростного анализа состояния воздуха, имитирующая работу человеческого органа обоняния.

Такое устройство представляет собой программируемый набор датчиков, каждый из которых “нюхает” отдельный компонент запаха вещества или продукта. Чем больше датчиков установлено, тем точнее результат. Наносенсоры для электронного носа подбираются по их химическому сродству, и обычно для этой цели используются полимерные проводящие плёнки.

В отличие от обычных газовых сенсоров, разрабатываемых специально для каждого отдельного вещества, электронный нос достаточно универсален, а с помощью наносенсоров способен уловить и детектировать настолько малые концентрации веществ, что с ним не сравнится ни одна ищейка.

Строение электронного носа

Как правило, электронный нос состоит из трех функциональных узлов: системы пробоотбора; матрицы сенсоров с заданными свойствами; блока процессорной обработки сигналов, поступающих от сенсоров.

Исследуемая проба закачивается воздушным насосом в кю- ветное отделение, где установлена линейка или матрица сенсоров. Там порция газовой смеси разделяется на отдельные фракции, которые прогоняются через систему специальных рецепторов и, в зависимости от состава и количества, изменяют их характеристики. В одном из вариантов электронного носа присоединение специфической молекулы к поверхности сенсора, представляющего собой тончайшую иглу-кантилевер толщиной в 100 нм и длиной 50 микрон, вызывает изменение резонансной частоты за счет изменения его массы. Измеряя новую частоту колебаний кантилевера, можно определить присутствие специфических групп молекул.

Величины показаний каждого детектора передаются на процессорный модуль. Специальная программа анализирует полученные данные и выдает результаты в виде своеобразных “клякс” - хроматограмм (на самом деле это графики интенсивностей запахов в центральных координатах).

Рис 121. Визуальные образы программы VaporPrint™ для болезнетворных микроорганизмов, взрывчатых веществ, наркотиков и горючих жидкостей

После дегустации в систему подаются пары промывочного газа (например, спирта), чтобы удалить пахучее вещество с поверхности датчиков и подготовить прибор к проведению нового измерительного цикла.

Период времени, в течение которого сенсоры электронного носа анализируют закаченную пробу воздуха, называется временем отклика.

Современные образцы отличаются достаточно высоким быстродействием. Время отклика у некоторых из них составляет порядка 10 секунд.

Период подачи в ячейку промывочного газа получил название времени восстановления (латентного периода). Время восстановления, как правило, колеблется в пределах минуты.

Следует отметить, что проблема идентификации запахов с алгоритмической точки зрения достаточно сложна (каждый запах представляет собой сложный комплекс химических соединений), поэтому для распознания образов запаха система “электронный нос” использует элементы искусственного интеллекта. В частности, наиболее перспективным считаются так называемые искусственные нейронные сети (ИНС).

Нейронные сети представляют собой компьютерную имитацию взаимодействующих нейронов мозга человека и состоят из ряда соединенных между собой простых обрабатывающих информацию единиц — нейронов. Слои нейронов, получающих внешнюю информацию, называются входными, выводящих конечный результат — выходными, промежуточные слои — внутренними, или скрытыми. При этом у каждого нейрона имеются несколько входов и только один выход. Главным плюсом нейронных сетей является их обучаемость, то есть возможность целенаправленной минимизации ошибок выходных сигналов.

Области применения электронного носа

До недавнего времени главными препятствиями на пути использования электронного носа были его малая эффективность и высокая цена. Ранние сенсорные матрицы имели недостаточную чувствительность, были не специфическими, медлительными, часто нестабильными в течение длительного времени и дорогими.

На сегодняшний день достаточно большое количество “электронных носов” являются коммерчески доступными приборами. Современный электронный нос срабатывает за 10 секунд, обладает высокой степенью специфичности и чувствительности, стабильно работает в течение длительного времени и использует сравнительно недорогую технологию твердотельного датчика-сенсора. Сейчас стоимость такого прибора составляет от $20 тыс.

до $100 тыс., но по мере совершенствования технологии изготовления самих сенсоров прогнозируется существенное снижение их стоимости.

Тем не менее, уже сегодня “электронные носы” уже оказывают помощь в решении многих проблем.

Криминалистика и национальная безопасность. “Электронный нос” может обеспечить новые возможности в борьбе с контрабандным ввозом и распространением наркотиков, предупредить террористические диверсии. Вынюхивая метан, можно быстро обнаружить и устранить утечки в газопроводах.

Промышленность Есть сведения, что в районе многих месторождений угля и нефти наблюдается повышенная микроконцентрация этого природного газа. Стало быть, “электронный нос” способен отыскивать залежи этих ископаемых.

Пищевая промышленность “Электронный нос” может быть использован для оценки свежести продуктов, контроля качества, мониторинга случайных или преднамеренных загрязнений или несоответствий торговой марке. Например, с помощью этого прибора удалось установить, что почти половина образцов кофе “Нескафе”, продаваемого в наших магазинах, очень далека от эталона. То же самое и с коньяками.

Электронный нос необходим при разработке и производстве кормов для животных, ведь в этом случае сами потребители продукта не могут прокомментировать его запах.

Портативный интегральный прибор может помочь туристам отличить съедобные природные объекты от несъедобных.

Медицина Индивидуальный запах выделений человека уже давно используется в классической медицине как важный диагностический признак. В XXI веке нос врача заменит “электронный нос”. Ученые Пенсильванского университета создали “электронный нос”, который выявляет инфекционные болезни по дыханию обследуемого человека. Дело в том, что все бактерии, независимо от своей природы, в процессе жизнедеятельности выделяют различные газы. В случае поражения инфекцией дыхательных путей эти газы обязательно присутствуют в выдохе. “Электронный нос” подносится ко рту больного, получает его выдох и сравнивает химический состав с базой данных типичных примеров химического состава выдоха заведомо больных людей, на основании чего ставится соответствующий диагноз.

Образец прибора, разработанный в Иллинойском институте технологий способен обнаружить в воздухе возбудителей туберкулеза и других инфекционных заболеваний. По запаху станет возможным диагностировать пневмонии, онкологические заболевания и даже атипичную пневмонию (SARS). При черепно-мозговых травмах на самых ранних этапах можно будет распознать запах вытекающей спинномозговой жидкости, что позволит предотвратить многие смертельные исходы травматических поражений центральной нервной системы.

Следует отметить, что диагностика заболеваний дыхательных путей является в медицинской практике очень сложным процессом. Отличить, скажем, пневмонию от обычной респираторной инфекции типа ОРЗ удается далеко не сразу. Применение “электронного носа” позволяет ускорить проведение анализа, снизить стоимость и повысить точность результатов. Ученые считают, что “электронный нос” будет таким же верным спутником врача, как и аппарат для измерения артериального давления.

Развлечения Уже сегодня создан небольшой прибор, позволяющий синтезировать запахи, смешивая ароматические вещества в определенных компьютером пропорциях. Объединив его с “электронным носом” можно будет «отсканировать запах», а потом передать его через Интернет и воспроизвести! Компьютерные игры наполнятся ароматами, а продавцы пиццы и парфюмерии смогут размещать запахи продукции на своих сайтах. Впрочем, с парфюмерией все обстоит не совсем гладко — ведь если каждая девушка сможет скачать из Интернета понравившийся запах, то не надо будет покупать духи. Более того — можно будет отсканировать электронным носом запах духов в магазине или даже на дискотеке — и спокойно синтезировать их дома! Не говоря уже о том, что на рынке можно будет купить коллекции тысяч ароматов, записанные на CD. Видимо, парфюмерная отрасль начнет борьбу с «ароматическим пиратством», как производители музыки и программ.

Многим знакома электронная робот-собака Aibo. Так вот если оснастить ее “электронным носом” она сможет узнавать хозяина по запаху и различать предметы как настоящая!

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Проект “Электронный нос”:

  1. 2. Базы по гуманитарным и социальным наукам
  2. г'еферзты и сочинения
  3. Какие бывают музеи?
  4. Американская телемонополия.
  5. ПРИМЕЧАНИЯ
  6. Коротко о книге
  7. Электронный бизнес: перестройка отношений
  8. ЭЛЕКТРОННЫЕ СМИ И ТИПЫ РЕКЛАМНЫХ ОБРАЩЕНИЙ
  9. КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. АЛЬ-ФАРАБИ - ВЕДУЩИЙ НАУЧНЫЙЦЕНТР КАЗАХСТАНА
  10. Глава 2. Использование нанотехнологий в пищевой промышленности
  11. § 4. РАЗВИТИЕ ТВОРЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛАСОЦИАЛЬНЫХ ПЕДАГОГОВ В ВУЗЕ