В данный момент могут ли роботы заменить собак и распознавать Covid-19 с помощью специально настроенных датчиков?

Датчики, распознающие запахи - уже не фантастика, примеры таких приборов - определение алкоголя в крови водителя по выдоху и основанный на этом датчик зажигания автомобиля, который не заведется при наличии в кабине подвыпившиго водителя; анализаторы, определяющие взрывчатые вещества в самолетах и аэропортах; и наконец, медицинские анализаторы выдыхаемого воздуха, ставящие больным диагноз. Мир стал немного безопаснее. Датчики "обоняния" играют большую роль в развитии будущего Интернета Вещей. Это RFID-наклейки, анализирующие запах пищи через упаковку и обновляющие статус пищи на сайте, телефонные аппараты, чувствительные к ароматам и определяющие ядовитые вещества. Современные ученые и инженеры находят все новые и новые решения, помогающие нам сделать мир еще безопаснее.

Приборы, определяющие содержание алкоголя в крови по пробе выдыхаемого воздуха изобретены довольно давно: еще в 1938 году ученый Ролл Харгер придумал датчик для определения степени опьянения. Харгер участвовал в подготовке закона по ограничению употребления алкоголя, и выступал за принятие закона, позволявшего использовать изобретенный им метод в качестве судебного доказательства. Брелок, определяющий степень вашего опьянения после очередной вечеринки, обойдется вам в сумму около 300 рублей.

Инженер израильского технологического института Рассел Берри изобрел датчик, диагностирующий рак легких на основании анализа выдыхаемого воздуха. Этот сенсор определяет более 40 различных биомаркеров и состоит из девяти перекрестно-реагирующих химических сопротивлений. Эти сопротивления сконструированы из наночастиц золота, каждая из которых обладает различным функционалом. Подобные сенсоры можно использовать для диагностики болезней почек на более ранних стадиях, чем это производят традиционные методы анализа мочи.

Профессор биохимии Калифорнийского университата Сан-Диего Майкл Сэйлор учавствует в проекте "Ревизия". Он работает над прибором, чувствительным к запаху газов и миниатюрным настолько, что его можно легко встроить, например в сотовый телефон. В основе прибора лежит миниатюрная камера, фотографирующая пористый чип из кремния. Каждая микроскопическая пора имеет особую неповторимую форму; поры устроены так, чтобы реагировать на определенные токсичные газы при столкновении с ними. Так как современные камеры в телефонах имеют разрешения, измеряемые в мегапикселях, можно взять единственное изображение этих пор или сенсоров и загрузить его в сеть Интернет, где оно будет анализироваться в режиме реального времени. Такие телефоны можно использовать для определения мест утечек и распространения ядовитых газов.

Компания General Electric сейчас тестирует сенсоры запаха, созданные по технологии RFID. Эти сенсоры в виде наклеек небольшого размера могут улавливать и фиксировать присутствие опасных отходов, а также обнаруживать и сигнализировать о порче продуктов. Примером может служить пакет молока с наклейкой RFID на внешней стороне пакета. Наклейка будет периодически анализировать запах молока через упаковку, и как только молоко скиснет, RFID-метка вовремя предупредить хозяина об этом.

Детекторы, использующие методы спектрометрии подвижности ионов, являются на сегодняшний день наиболее распространенными определителями взрывчатых веществ и аэропортах США. Недавно издание Scientific America опубликовала статью о том, как австрийский производитель Ionicon Analytik соорудил новый прибор PTR-MS с применением масс-спектрометрии реакций переноса протона для обнаружения газов. Этот механизм размером с холодильник настолько чувствителен, что может различать практически идентичные молекулы. В процессе работы устройство создает «протонированный» водяной пар, который, по сути, является водяным паром с повышенным содержанием протонов. Многие органические соединения, включая взрывчатые вещества, имеют свойство захватывать эти лишние протоны и становиться положительно заряженными. Образовавшиеся положительные ионы можно извлечь и проанализировать их химический состав. Бережное датирование по углероду Традиционные методы датирования по углероду требовали уничтожения фрагмента находки (путем сжигания). После сжигания производится измерение радиоактивности для углерода, и соотношение изотопов показывает возраст образца. Однако в случае с некоторыми артефактами уничтожение даже малой их части недопустимо. При использовании нового метода образец помещается в контейнер с электрически заряженным плазменным газом, сходным с плазмой в телевизионных экранах. Плазма осторожно окисляет находку, и та начинает испускать микроскопическое количество диоксида углерода, который можно использовать для радиоуглеродного анализа.

                              Принцип действия электронного носа.

Электронный нос разрабатывался как устройство, имитирующее работу органов обоняния людей — то есть, он не разделяет отдельные компоненты, создающие запах, а реагирует на их совокупность в целом. Устройство состоит из приспособления для отбора проб воздуха, датчиков, и устройства обработки их сигналов. Обработка сигналов датчиков предназначена для получения «общей картины» воздействия, так чтобы результат обработки на выходе давал сигнал, характерный именно для данного запаха. Основными частями устройства является пробоотборная система, блок детекторов и блок обработки сигналов. Пробоотборная система обеспечивает получение воздуха с летучими химическими соединениями, и его транспортирование в блок детекторов. Она должна обеспечить стабильные условия работы блока детекторов. Для выявления состава компонент, образующих запах, используется группа датчиков, по-разному реагирующих (меняющих свои электрические свойства) как на одно и то же вещество при разных концентрациях, так и на разные вещества при одинаковых концентрациях. В большинстве подобных устройств каждый из разнородных датчиков реагирует на любое летучее вещество — но по-своему. Разнородные сигналы датчиков, получающиеся при адсорбции молекул газов, отправляются в вычислительный блок, где они обрабатываются в соответствии со статистической моделью.^[5]. А в биоэлектронных носах используется другой подход: применяют белки (proteins), реагирующие на конкретные молекулы, создающие запах.

В биоэлектронном носе используются обонятельные рецепторы — белки, клонированные из биологических организмов (например — из людей), которые связывают определённые молекулы с запахом. Одна группа разработала биоэлектронный нос, который имитирует орган обоняния человека, и добилась очень высокой чувствительности — устройство реагировало на фемто-молярные концентрации^[6]

Для электронных носов чаще всего используют:

• металло-оксидные полупроводники (MOSFET) — транзисторы, которые усиливают или подают/не подают электронные сигналы. Они работают за счёт того, что молекулы, попадающие в датчик, могут иметь или положительный, или отрицательный заряды, и это прямо влияет на электрическое поле внутри датчика. Попадание в детектор извне каждой дополнительной электрически заряженной частицы уникально влияет на транзистор, и меняет его сигнал так, что последний может быть обработан компьютером для распознавания воздействия. Фактически, каждая молекула выявляемого подобным устройством вещества даст свой неповторимый сигнал, который может быть обработан и распознан компьютером.

• Электропроводящие полимеры — органические полимеры, которые могут пропускать электрический ток.^[7]

• Полимерные композиционные материалы — они похожи на электропроводные полимеры, но изготавливаются из не электропроводных полимеров с добавлением электропроводных материалов (например — сажи).

• кварцевые микровесы — измерение поверхностной массы (массы на единицу площади) за счёт измерения частоты (колебаний) кварцевого кристаллического резонатора. Результаты измерений (для эталонных образцов) могут записываться, и затем использоваться для сравнения с новыми результатами.

• Поверхностные акустические волны (SAW) — класс микроэлектромеханических систем (MEMS), использующих модуляцию поверхностных акустических волн для реагирования на внешнее физическое воздействие.^[8]

В некоторых устройствах используются разные типы датчиков, объединённые в одно устройство, например — покрытые полимером кварцевые микровесы QCMs. Использование сигналов от разнородных датчиков позволяет повысить точность и чувствительность устройства.^[9]

В последние годы были разработаны электронные носы, использующие масс-спектрометрию или сверхбыструю газовую хроматографию для обнаружения молекул летучих соединений.^[5]

При обработке сигналов используется компьютер. Он проводит общий анализ совокупности сигналов, и выдаёт результат в таком виде, который можно легко интерпретировать. Кроме того, результаты измерений, сделанных с помощью электронного носа, можно связать с результатами измерений, сделанными другими способами (sensory panel, газовой хроматографией, хромато-масс-спектрометрией). Для анализа результатов используются различные системы их интерпретации, в том числе: искусственные нейронные сети (ANN), нечёткая логика и др.^[10]

                                              Проведение анализа

Сначала электронный нос должен быть «натренирован» — он должен распознать эталонные образцы так, чтобы у него имелась база данных для последующего сравнения. Затем устройство может распознавать новые запахи, сравнивая совокупность сигналов датчиков от них с теми сигналами, которые были записаны в базу данных при «обнюхивании» эталонных образцов. Это сравнение позволяет провести количественный или качественный анализ.