Поиск
Разное:
d8687b7f
«
»

Кто может учуять каждую молекулу?

23.08.2017 | Автор: gdeparfum

Запахи пробуждают в человеке различные эмоции и предупреждают его о возможных опасностях. Вероятно, в ближайшем будущем электронный нос тоже начнет спасать людей.

Цикл Человек против машины

Часть 1: Непринужденная беседа: может ли машина говорить с человеком?

Часть 2: Футбольный матч: робот пасует лучше, чем профи?

Часть 3: Проверка зрения: у компьютера более зоркий взгляд?

Часть 4: Абсолютный слух: кто различает больше звуковых частот?

Часть 5: Великолепный нюх: компьютер чувствует даже отдельные молекулы?

Часть 6: Проверка пальцев: манипулятор робота точнее, чем человеческая рука?

Ароматы летнего утра, цветущие луга, запах нового автомобиля — мир чувств дарит человеку ощущения, которые остаются в его памяти, дарят приятные эмоции, стимулируют или, наоборот, демотивируют его. Для машины они представляют собой лишь набор молекул, которые надо проанализировать, определив их происхождение.

То, что человек вкладывает в запахи столько эмоций, даже удивительно. Ведь чувствуем мы не так уж много — всего 350 типов молекул и 10 000 смешанных запахов.Кто может учуять каждую молекулу? И это лишь в том случае, если концентрация запаха достаточно высока.

Собака, к примеру, обладает более чем 250 млн обонятельных клеток, с помощью которых она может распознать более миллиона смешанных запахов.

В сравнении с этим искусственный нос (e-nose) работает достаточно примитивно, так как большинство устройств такого типа оперирует не более чем 32 сенсорами, которые выполняют роль искусственных обонятельных клеток. Эти сенсоры достаточно точны, но нуждаются в перекалибровке под каждый новый запах. В любом случае, чтобы быть опознанным, запах должен быть уже занесен в базу данных машины.

Однако исследователи сходятся во мнении, что уже в обозримом будущем искусственный нос станет достаточно распространенным и весьма важным предупреждающим инструментом в промышленности и медицине.

Сенсоры: измеряем запах

Пока еще нет окончательного и единственно верного способа создания электронного носа — для решения разных задач разрабатываются различные системы. Однако искусственный обонятельный орган всегда содержит один компонент — сенсор, который захватывает молекулы запаха и переводит их в электрические сигналы. «Самыми распространенными сенсорами являются пьезоэлектрические кристаллы и оксиды металлов», — говорит профессор Тюбингенского университета доктор Удо Веймар.

Пьезоэлектрический кристалл выступает в роли микровесов. Захватываемые молекулы изменяют уровень электрических колебаний кристалла, а следовательно, и сигнал передаваемый компьютеру. При использовании второго способа молекулы прилипают к тончайшему слою оксидов металла, изменяя его электропроводимость. Данные технологии достаточно сильно отличаются от того, что происходит в обычном носу.

В то время как человеческая обонятельная клетка определенного типа способна опознавать только один тип молекул, один сенсор может засечь и конвертировать в электрический сигнал сразу несколько разных. Чтобы настроить его на тот или иной запах, например аромат определенного сорта вина (см. схему), ученые используют различные материалы, такие как оксид цинка или оксид олова. «Чем больше различных оксидов используется при анализе, тем точнее будут его результаты», — объясняет профессор Бременского университета прикладных наук доктор Рольф Клинтворт.

Полученные данные можно считать достоверными только в том случае, если при анализе использовалось сразу несколько сенсоров одного типа. Такие наборы обычно включают от 4 до 32 сенсоров.

Как бы то ни было, сенсор не может самостоятельно определить, что перед ним — рислинг урожая 1959-го года или выхлопные газы. Сенсор просто идентифицирует типы молекул, но не может вычислить, какой аромат они составляют, — все происходит на химическом уровне. Математическая идентификация производится компьютером.

Этот процесс похож на то, что происходит в человеческом мозге: ароматы привязываются к определенным объектам или воспоминаниям. Машины, как и люди, могут улавливать и узнавать запахи только после специальной тренировки. «Различные сенсоры передают сигналы, но вы не знаете, что именно они зафиксировали. Поэтому необходимо сначала задать значения для известных вам запахов.

Таков принцип работы электронного носа», — говорит профессор Института анализа дыхательной смеси Австрийской академии наук доктор Антон Аманн. Результаты нескольких обонятельных тестов заносятся в базы данных для того, чтобы впоследствии искусственный нос мог сравнивать получаемые образцы с уже существующими. Чем шире база данных, тем быстрее и точнее электронный нос настраивается на определенные ароматы.

Спасатель: электронный нос бьет тревогу

Несомненно, электронные носы все еще недостаточно точны, но они уже применяются в некоторых областях и выполняют весьма важные функции. Такие сенсоры используются в автомобилестроении — они отвечают за переключение режимов циркуляции воздуха. Например, сенсор фиксирует, что машина въехала в тоннель, и забор воздуха снаружи сменяется внутренней циркуляцией.

В будущем устройства на базе этой технологии также будут отслеживать уровень оксида углерода, проходящего через каталитический конвертер автомобиля. Этот газ, будучи смертельно опасным для человека, совершенно незаметен для его обоняния независимо от концентрации. Электронные системы, напротив, способны зафиксировать даже минимальное присутствие этого химического соединения в воздухе и немедленно сообщат о том, что система повреждена.

Подобные механизмы применяются пожарными службами для предотвращения взрывов газопроводов, вызванных утечками газа, а также служащими аэропортов для поиска наркотиков и взрывчатки. Однако в аэропорту у них еще есть серьезные конкуренты: пока электронные носы не научатся улавливать больше запахов без дополнительной перекалибровки, собаки будут оставаться лучшими ищейками.

Искусственный нос способен спасать жизни и в медицине, ведь по запаху можно даже диагностировать некоторые болезни. «Есть мнение, что запах определенных типов опухолей распространяется вплоть до верхних дыхательных путей», — говорит Веймар. Но до тех пор, пока неизвестно, какие именно химические соединения нужно искать, невозможно создать специализированное устройство для их распознавания.

Исследователи, в числе которых и профессор Аманн, предпочитают полагаться на совместное использование сенсоров и лекарств. «Сначала врач измеряет изотопный состав выдыхаемого пациентом воздуха. Затем он дает ему лекарство и снова производит измерения. Если изотопный состав изменился, пациент страдает бактериальной инфекцией», — объясняет Аманн.

Электронные носы применяются и в пищевой промышленности. Здесь они помогают распознать испорченные продукты еще до того, как у последних появятся видимые человеческим глазом и ощутимые человеческим носом признаки.

Кроме того, искусственный нос обеспечивает безопасность космонавтов на МКС. Дело в том, что для обогрева и охлаждения помещений и аппаратуры на Международной космической станции используются весьма опасные газы — аммоний и фреон 218. В отличие от оксида углерода у них есть запах и цвет, но они становятся смертельными для человека в столь малых концентрациях, что обычным обонянием их никак не уловить.

Тут на помощь приходит электронный нос. Обстановка на МКС подвергается постоянному мониторингу, все данные анализируются и отправляются на Землю. В случае обнаружения неполадок объявляется тревога и проводятся поиск и устранение утечек.

Аммоний и фреон 218 являются наиболее опасными, но не единственными веществами, скопление которых нельзя допускать в настолько изолированном помещении, каким является Международная космическая станция, — всего таких веществ на МКС насчитывается около пятидесяти. Помимо выявления утечек вредных веществ искусственные носы на МКС служат в качестве средства предотвращения возгораний на самых ранних стадиях.

При нагревании проводки или другой аппаратуры до пожароопасных температур в воздух выбрасываются определенные молекулы, по наличию которых в окружающей среде можно выявить опасную ситуацию. Именно поэтому установку электронного носа на МКС, произошедшую в 2008 году (а первые шаттлы с прототипными образцами на борту начали запускаться еще в 1998-м), можно считать одним из важнейших шагов по обеспечению безопасности космонавтов.

Появление искусственного носа внесло важный вклад в различные научные исследования, особенно в области химии. Ведь применение такого прибора позволяет определять состав химических соединений без взятия пробных образцов на всех стадиях эксперимента, включая промежуточные.

Вывод

Несмотря на то, что технология искусственного носа уже достаточно широко применяется в науке и промышленности, она все еще находится на начальном этапе своего развития. Ее основная проблема — сенсоры воспринимают слишком много различных типов молекул, что не позволяет сделать обоняние достаточно избирательным. Решение может заключаться в новых материалах для сенсоров, которые, возможно, будут работать точнее, чем металлооксидные полупроводники. «Когда такие материалы будут найдены, перед нами откроются весьма широкие перспективы», — утверждает Веймар. «Такие сенсоры смогут вывести медицину на новый уровень персонализации, когда способ лечения будет избираться под определенного пациента», — предсказывает Аманн.

Более того, исследователи работают над созданием миниатюрных устройств, которые могут быть вмонтированы в мобильные телефоны. Таким образом, анализ дыхания сможет быть проведен непосредственно во время разговора по телефону. Сможет ли такой нос определить, подходит ли вино к тому или иному блюду, пока вопрос спорный, но то, что он сможет выдать его точный молекулярный состав, не вызывает никаких сомнений.

Рандомно подобранные статьи:

Реактивная струя | На пределе с Александром Колтовым


Методически связанный материал:

Рубрика: Косметология | Метки: , ,

Комментарии закрыты.

© Где парфюм -