Подготовьте сообщение проект об электронном носе почему данный проект так важен в наше время

Обновлено: 04.05.2024

Запахи в цифрах

Идее создания прибора, который мог бы различать запахи и вкусы, почти 30 лет. За это время ученым удалось добиться не просто прогресса в этой области, а фактически совершить переворот. Спроектированы устройства, которые могут отличить свежий продукт от испорченного, а смелого работника от труса.

Их решение построено на основе хемисорбционных датчиков с рецепторными слоями, отличающимися друг от друга центральным атомом металла. Оно позволяет очень точно распознавать тончайшие запахи.

На днях опубликован отчет о динамике мирового рынка электронных носов. Несмотря на то, что в 2019 году объем этого рынка оценивался в $39 млн, аналитики предрекают его уверенный рост — до $59 млн в 2024 году.

Среди основных игроков — Соединенные Штаты, Канада и Мексика. Они контролируют рынок электронных носов в Северной Америке. Китай, Япония, Юго-Восточная Азия, Индия и Корея имеют огромные доли на рынке электронных носов из Азиатско-Тихоокеанского региона. Значительную часть индустрии электронных носов в Европе контролируют Германия, Великобритания, Франция, Италия и Россия. Аналитики отмечают, что по темпам роста электронных носов Египет, Южная Африка, Саудовская Аравия охватывают весь регион Ближнего Востока и Африки.

Любопытно, но значительная европейская экспертиза в области разработки электронного носа сосредоточена в России. Разработка ведется в нескольких научно-исследовательских институтах страны.

Однако, как видно из отчета, разработки российских ученых — далеко не единственные. Например, в Германии создан датчик на основе оксида металла. Его уникальность даже не в конструкции, а в программном обеспечении с использованием искусственного интеллекта. Благодаря нейросети датчик учится принюхиваться к изменяющимся запахам. Например, знакомая всем новогодняя елка пахнет по-разному в лесу и в теплой домашней обстановке.

В США тоже продвинулись в разработке электронного носа. Там создали и даже выпустили на массовый рынок датчик для обнаружения и идентификации сложных химических смесей, которые представляют собой ароматы, запахи, отдушки, составы, разливы и утечки. Он также используется для идентификации простых смесей и отдельных химических соединений.

Зачем нужен электронный нос

Газы и пожары

Прибор имеет очень широкое применение. Изначально ученые сфокусировались на теме безопасности на производстве, где возможна утечка опасных газов. Автоматические анализаторы помогали избежать критической ситуации, особенно когда человеку было сложно определить степень опасности и вообще ее существование.

Безопасность

Первые эксперименты с участием групп добровольцев прошли успешно, Татьяна Кумченко уверена, что новый вид контроля может появиться в аэропортах и на вокзалах уже довольно скоро.

Медицина

Ждут е-нос и в больницах. Так, ученые из Политехнического университета Валенсии разработали нос, который отличает пациентов с болезнью Крона от больных язвенным колитом. Прибор распознает еще и некоторые болезни пищеварительной системы, при этом делает это за считанные минуты, без длительной диагностики и консультаций.

Эмоции

Еще один необычный кейс применения электронного носа наверняка порадует владельцев бизнеса. Кадровые службы с помощью прибора в буквальном смысле могут принюхиваться к будущим сотрудникам на собеседовании. Эксперты говорят, что электронный нос может легко распознавать эмоции, различать, говорит человек правду или врет.

Продуктовый ритейл

Меньше и умнее

Создатели намерены использовать его в браслетах и часах. Прибор будет считывать запахи с кожи, анализировать их и предупреждать владельца часов или браслета о состоянии здоровья. Причем если сегодня продвинутые носимые гаджеты могут предсказать разве что резкое повышение давления или нестабильность пульса, то с носом в продажу поступят настоящие диагностические модели.

Кстати, в Белоруссии ученые еще больше продвинулись в решении задачи по миниатюризации устройства.

В Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники создали кристалл, который улавливает малейшие запахи и концентрирует их. Его размеры чуть больше одного миллиметра, поэтому рассмотреть его можно лишь с помощью микроскопа. Сенсор на основе кристалла анализирует и сравнивает запахи, которые внесены в базу данных компьютера. Разработка белорусских ученых улавливает самые тонкие запахи. Обоняние наноноса в несколько раз тоньше человеческого и даже собачьего.

Революция в электронике?

Появление миниатюрного сверхчувствительного и доступного по цене электронного носа может привести к появлению новой бизнес-модели позиционирования и продажи носимой электроники.

По его словам, сейчас мы видим применение нейросетей для распознавания лица человека. Технология применяется в смартфонах для разблокировки и проведении мобильных платежей. Аналогично будет работать и обучение на распознавание запаха. Нейросеть будет учиться обнюхивать своего владельца, а разработчики получат уникальный опыт с предсказанием болезней и эмоционального состояния человека.

Запахи в цифрах

Зачем нужен электронный нос

Газы и пожары

Безопасность

Медицина

Эмоции

Продуктовый ритейл

Меньше и умнее

Кстати, в Белоруссии ученые еще больше продвинулись в решении задачи по миниатюризации устройства.

Революция в электронике?

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.

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

Кечкина Н.И. 1 Попов А.А. 1 Баранова Д.И. 1 Ловдар Ю.А. 1 Кулигина Н.О. 1 Токарев С.В. 1 Наумова Е.Г. 1 Зубков И.Л. 1 Бессонов С.Г. 1 Орлов Е.С. 1

3. Berna А. Metal oxide sensors for electronic noses and their application to foodanalysis // Sensors. – 2010. – № 10. – pp. 3882–3910.

4. Ghasemi-Varnamkhasti M., Mohtasebi S.S., Siadat M., Balasubramanian S. Meat quality assessment by electronic nose (machine olfaction technology) // Sensors. 2009, vol. 9, № 8. P. 6058 – 6083.

5. Macias M.M., Manso A.G., Orellana C.J.G., Velasco H.M.G., Caballero R.G., Chamizo J.C.P. Acetic acid detection threshold in synthetic wine samples of a portable electronic nose // Sensors. 2012, № 13. – pp. 208–220.

7. Wilson A.D. Review of electronic-nose technologies and algorithms to detect hazardous chemicals in the environment // Procedia Technology. – 2012 – № 1. – pp. 453–463.

ЭН внедряются в область пищевой промышленности с целью контроля качества, процесса мониторинга, оценки свежести продуктов, определения срока годности и т.д. Тем не менее реальные масштабы применения устройств данного типа в этой области являются все еще низкими вследствие сложности химического состава ароматов пищи, представляющих собой смесь многих различных пахучих молекул, которые находится в различной концентрации.

управляющий сигнал; исследуемый газ; информативный сигнал

Принцип работы заключается в осуществлении отбора пробы из среды контроля с помощью универсальных или специфических устройств пробоотбора с ее последующей подготовкой для газового анализа. Проведение газового анализа, как правило, осуществляется при стабилизированном расходе потока исследуемого газа, а полученные информативные сигналы с матрицы газовых сенсоров подвергаются дальнейшей обработке с помощью специализированного программного обеспечения для выделения полезных составляющих и определения их количественных характеристик.

Качество вина связано с его основными характеристиками: визуальной, вкусовой или ароматической. Это отражается на его цене. Среди недостатков вина выделяется один наиболее важный – чрезмерная концентрация уксусной кислоты, способной скрыть аромат и вкус, снижая тем самым качество вина и делая его менее привлекательным, иногда даже непригодным для питья. Таким образом, очень важно для винодельческой промышленности иметь методы исследования, обеспечивающие мониторинг чрезмерной концентрации уксусной кислоты в вине в реальном времени.

Рис. 4. Внешний вид электронного носа PEN3

Свежесть мяса является одним из важных показателей его качества и безопасности. Определить степень свежести на начальных стадиях порчи очень сложно и вместе с тем это очень важно с гигиенической и экономической точек зрения. На практике ученые и технологи пытаются контролировать или изменять некоторые параметры (например, температуру), чтобы либо продлить срок хранения мяса, либо создать новые продукты с приемлемым сроком годности.

Молочная промышленность использует различные проверки качества, которые включают химические или физические анализы: определение жира, оценку осадка, определение количества бактерий, определение температуры замерзания, белка и т.д. Тем не менее, большинство из этих измерений являются дорогими и трудоемкими. На рынке молока и молочных продуктов, пользующихся стабильным спросом, находятся сотни его наименований и многие из них активно рекламируются, поэтому соблазн подделать или увеличить объемы молока и молочной продукции путем разбавления водой всегда имеется как у продавца, так и у производителя молочной продукции. Этот процесс разбавления молока водой (или обезжиренным молоком, нейтрализующими веществами) называется фальсификацией.

Но в любом случае ключевым элементом электронных носов и языков оказываются сенсоры. Их задача — перевести сигнал, возникший в виде химических реакций, в более удобную для регистрации и интерпретации форму: электрическую, химическую, магнитную, температурную. Для этого применяется восемь основных типов датчиков — кондуктометрические, амперо- и вольтметрические, потенциометрические, импедометрические, пьезоэлектрические и оптические (колори- и флуориметрические), — основанные на принципах хроматографии и/или масс-спектрометрии. Ведутся разработка и внедрение биосенсоров на базе органических полимеров и даже целых клеток.

Нос в молоке

Чем больше и сложнее будут становиться системы сенсоров, тем скорее электронные носы и языки начнут конкурировать даже с профессиональными дегустаторами. В этом есть рациональное зерно: человеческое восприятие субъективно и капризно, так что в некоторых нашумевших экспериментах даже лучшие специалисты, поставленные в неудобную ситуацию, оказывались неспособны отличить красное вино от подкрашенного белого, а клубничный йогурт от шоколадного. Прибор же не станет работать иначе из-за того, что поссорился с женой, не выспался, терпеть не может шпинат или на тарелке лежит не слишком привлекательное блюдо.

Болезненный запах

Не обошел стороной метод и онкологическую диагностику. Самым логичным применением в ней электронного носа было бы выявление рака легких. Давно замечено, что при этом онкозаболевании (впрочем, как и при астме, а также муковисцидозе) наблюдается закисление выдыхаемого конденсата. С определением изменения pH справится простейший электронный язык, дав быстрый, хотя и далеко не однозначный результат. Однако путем сравнения образцов конденсата больных и здоровых людей (а также построения моделей этих образцов) ученые уже выявили спектр из 17 летучих веществ, которые служат точными маркерами развития рака легких и поддаются распознаванию с помощью масс-спектрометрии, хроматографии и других методов.

Нос широкого профиля

Такие совершенные электронные носы и языки могут стать основой для разработки достойных имплантов для замены естественных — или оснащения ими роботов. В конце концов, роботы-повара уже работают на некоторых кухнях. Но для полноценной замены людей следовать рецептам и уметь управляться со сковородой недостаточно, и робоповару понадобится научиться элементарно определять качество ингредиентов по запаху, а готовность блюда — по вкусу. В перспективе развития технологии — модификации и усовершенствования сенсорной части: ее чувствительности, селективности и стабильности. Особо активно в этот процесс вмешиваются углеродные наноматериалы с их многообещающими свойствами — монокристаллическая структура, точно определенные химический состав и пространственное строение, а также уникальные характеристики наносоединений, связанные с поверхностными эффектами. Возможно, именно графеновые и фуллереновые био- и химические сенсоры должны стать следующим шагом в исследовательском и коммерческом применении электронных носов и языков. И, разумеется, гаджеты тоже никто не отменял: китайская студентка уже предложила концепт электронного носа, совмещенного с небольшим принтером. Сканируешь блюдо, прибор ищет в базе картинку, связанную с его запахом, и ароматическими чернилами печатает ее на почтовой открытке. Ну а почему бы и нет?

Читайте также: