Nauka
Klasyki motoryzacji zyskują na wartości. Elektryki zostają w tyle
26 listopada 2024
Elektroniczny nos na miarę ludzkiego węchu
Ludzki zmysł węchu pozwala rozróżnić około biliona zapachów, jak wykazały badania z 2014 roku, znacznie więcej niż wcześniej sądzono (około 10 tysięcy). Receptory węchowe reagują na różne kombinacje cząsteczek zapachowych, co umożliwia identyfikację niezwykle szerokiej gamy aromatów. Teraz naukowcy stworzyli elektroniczny nos, który może działać na podobnej zasadzie.
Pozornie może się wydawać, że zmysł węchu jest mało istotny. Możemy docenić woń kwiatów lub perfum, ale niektórym może się wydawać, że węch nie ma realnego wpływu na nasze życie. Tymczasem w określonych sytuacjach odgrywa kluczową rolę. Przykładem są pożary – zapach dymu może być pierwszym sygnałem zagrożenia. Często zdarza się, że wiatr przenosi swąd spalenizny daleko od jego źródła. W takich przypadkach wysyłanie ludzi w obszar katastrofy może być ryzykowne. Alternatywą jest dron wyposażony w czujnik zapachu – elektroniczny nos, który potrafi wykrywać zagrożenie dzięki swoim zdolnościom „węchowym”.
Pomysł stworzenia takiego urządzenia zainspirował naukowców, którzy opublikowali wyniki swoich badań w czasopiśmie Science Advances.
Badacze skonstruowali elektroniczny nos zdolny do wykrywania zapachów w tempie porównywalnym z układem węchowym myszy. Urządzenie odróżnia zapachy, analizując unikalne wzorce generowane podczas interakcji z jego czujnikiem.
„Substancje zapachowe, unoszone przez ruch powietrza, dzielą się na mniejsze fragmenty” – wyjaśnia Michael Schmuker, profesor z Uniwersytetu Hertfordshire w Wielkiej Brytanii.
Te fragmenty, nazywane pakietami zapachowymi, to niewielkie skupiska cząsteczek, które powstają w wyniku podziału większej masy zapachu podczas przemieszczania się w turbulentnym powietrzu. To właśnie one docierają do naszych receptorów węchowych, umożliwiając ich wykrycie.
Profesor tłumaczy, że pakiety zapachowe szybko się zmieniają. System ich wykrywania musi działać równie szybko, aby je wychwycić. Pakiety te zmieniają się z powodu rozpraszania, mieszania i rozbijania przez ruch powietrza, a także wskutek reakcji chemicznych zachodzących w ich otoczeniu. Naukowcy badają, w jaki sposób te zmiany zachodzą i jak często mają miejsce.
Polecamy: Zmysł węchu pomaga odczytywać emocje
Jak działa E-nose?
E-nos wykorzystuje czujniki gazu z tlenku metalu, które podgrzewają i chłodzą swoją powierzchnię w zakresie od 150°C do 400°C nawet 20 razy na sekundę. Na powierzchni czujnika zachodzą reakcje chemiczne, gdy dochodzi do kontaktu z zapachem. Urządzenie, mniejsze niż karta kredytowa, zużywa jedynie 1,2–1,5 W energii. Zostało stworzone z ogólnodostępnych części, do których dodano specjalne interfejsy cyfrowe, by precyzyjniej badać dynamikę zapachów na podgrzewanych elektrodach.
„Substancje zapachowe przepływają wokół nas w powietrzu i niektóre z nich reagują z tą gorącą powierzchnią. To, jak z nią reagują, zależy od ich własnego składu chemicznego. Mogą utleniać lub redukować powierzchnię, ale zawsze dochodzi do reakcji chemicznej” – tłumaczy Schmuker.
Oporność elektrod zmienia się pod wpływem zapachów. Co najważniejsze, te zmiany można mierzyć. Naukowcy wiedzą, że różne materiały użyte do budowy czujników wywołują różną dynamikę tych zmian. Urządzenie tworzy wzorce tych zmian, czyli tak zwane krzywe odpowiedzi. Pokazują one, jak rezystancja (opór) zmienia się w kontakcie z substancją zapachową. Te dane są następnie przekształcane na sygnał elektryczny. Każdy zapach generuje unikalny wzór, co pozwala na jego identyfikację dzięki analizie sygnału w czasie.
„Odkryliśmy, że szybkie przełączanie temperatury między 150°C a 400°C około 20 razy na sekundę generowało charakterystyczne wzorce danych. Ułatwiało to identyfikację określonych zapachów” – mówi Nik Dennler z University of Hertfordshire i Western Sydney University.
Dalszy etap polega na dostarczeniu wykresów tych zmian do algorytmów sztucznej inteligencji. Dzięki temu możliwe jest wykrywanie wzorców związanych z konkretnymi zapachami.
Polecamy: HOLISTIC NEWS: Rozmowy z chorymi na demencję są trudne. Polski wynalazek je ułatwi #obserwacje
Wykorzystanie E-nosa w zarządzaniu katastrofami
Do ideału wciąż daleko. E-nose jest w stanie rozróżniać wahania zapachów 20 razy na sekundę, podczas gdy nos myszy robi to z częstotliwością 40 razy na sekundę. Przed naukowcami jeszcze wiele pracy, zanim uda się stworzyć urządzenie dorównujące mistrzom węchu, takim jak psy.
Polecamy: Badania pokazują, że zmysł węchu zmienia nasze postrzeganie kolorów
