Elektroniczny nos - jak działa wąchająca maszyna

Cyfryzacja ludzkich zmysłów dobiegła właściwie końca. Maszyny potrafią widzieć, słyszeć, smakować i... wąchać. Ostatni zmysł wydaje się szczególnie interesujący z punktu widzenia obecnych i przyszłych zastosowań, a jest ich całkiem dużo. Jak działa cyfrowy nos i co można nim wywąchać? Zapraszam do dalszej części wpisu.

Izraelici węszą podstęp

Moja pierwsza styczność z tą technologią miała miejsce kilka lat temu na przejściu granicznym Egipt-Izrael nieopodal Strefy Gazy. Ofiarą szalonej podejrzliwości młodych Izraelitów pracujących na granicy padła moja znajoma, której zdjęcie paszportowe troszkę odbiegało od stanu faktycznego. Została zabrana na bok i poproszona o opróżnienie torebki. Po wyłożeniu wszystkiego na stół naburmuszona żołnierka wyciągnęła malutki "odkurzacz", włączyła ssanie i zaczęła wodzić głowicą wokół przedmiotów mniej lub bardziej osobistych będących własnością koleżanki.

Elektroniczny nos szukał dwóch rzeczy. Po pierwsze śladowych ilości materiałów wybuchowych, co jest równoznaczne z trafieniem w surowe tryby izraelskiego sądownictwa. Po drugie - substancji odurzających, których wykrycie skutkuje cofnięciem w stronę Egiptu, będącego wielką fabryką haszyszu i innych tego typu środków. Urządzenie nie kichnęło ani razu i koleżanka mogła kontynuować podróż, a ja zyskałem ciekawą historię do opowiedzenia. Urządzenie wyglądało mniej więcej jak to widoczne poniżej, ze stajni NASA.

Astronauci potrzebowali więc dobrego nosa, skoro nie mogli polegać na własnych. Nie mogli też polegać na standardowych czujnikach, które nie są w stanie wykryć tak niewielkiej ilości cząsteczek obcej substancji w atmosferze. E-nose przyszedł z pomocą i stał się jednym z pierwszych zaawansowanych sztucznych nosów.

Co ważne, elektronicznych nosów używa się nie tylko do rozpoznawania zapachów (substancji chemicznych w badanej atmosferze), ale także do rozpoznawania smaków, we współpracy z innymi czujnikami. Wszak nasz zmysł smaku nie działa prawidłowo bez zmysłu powonienia.

Identyfikacja, porównanie, kwantyfikacja. Tak wygląda proces rozpoznawania zapachów. Etap porównania wykorzystuje wspomniany system rozpoznawania wzorca. Niezmiernie ważny jest system dostarczania próbki. Porcja musi być odpowiednio odmierzona i przyłożona do skali tak, aby można było zbadać nie tylko rodzaj zapachu, ale też jego natężenie.

Technologie stosowane do konstrukcji elektronicznego nosa obejmują klasyczne rozwiązania półprzewodnikowe MOSFET, przewodzące polimery, mikrowagę kwarcową (QCM), zjawisko akustycznej fali powierzchniowej lub... sensory olfaktoryczne będące odzwierciedleniem tego, co mamy wszyscy w nosie (bez przenośni).

Nos QCM widoczny na zdjęciu powyżej nie przypomina narządu powonienia, ale radzi sobie z tym zadaniem doskonale. Czujnik wykrywa zmiany częstotliwości wibracji kwarcowego rezonatora i porównuje otrzymany wynik z wzorcami zapisanymi w bazie danych. Po chwili wiadomo, co tak brzydko/ładnie pachnie.

Pachnie mi to rakiem

Powyższy podtytuł był do tej pory ponurym przypuszczeniem, a za sprawą elektronicznych nosów może stać się po prostu diagnozą. Zacznijmy jednak od nieco prostszego modelu. Prototyp widoczny na zdjęciu poniżej powstał w Indiach w International Centre for Genetic Engineering and Biotechnology. Potrafi wykryć zapalenie płuc po wykonaniu pojedynczego wydechu. Powietrze badane jest pod kątem obecności biomarkerów, które występują w wydzielinie płucnej każdego chorego. Projekt został zrealizowany przede wszystkim dzięki wsparciu fundacji Billa Gatesa.

Wróćmy do raka. Kolejne zdjęcie i film przedstawiają elektroniczny nos badający wydech pod kątem nowotworu płuc. Opracowane w Cleveland Clinic urządzenie jest obecnie najbliższe ostatniej fazy testów i w ciągu 2-3 lat powinno być powszechnie stosowane. Czujnik ten wykrywa lotne związki organiczne (LZO), które są produkowane także przez chorą tkankę.

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=RYkSvNKdyBM