Полупроводниковые приборы довольно быстро внедрились во все области науки и техники, путь, а начатые в 1940-е годы исследования влияния газов на электрофизические характеристики полупроводников поставили на повестку дня и обратную задачу – определения газов по изменению этих характеристик полупроводника, и это заняло гораздо больше времени. Первопроходцем здесь считается японский изобретатель Наёси Тагучи. В преамбуле его патента 1972 года (с приоритетом от июля 1970 года) достаточно подробно изложена история его предшественников, повторять ее здесь нет смысла, желающие могут ее посмотреть ее сами.
В данном случае важно то, что еще до получения им патента основанная Тагучи основанная им компания Figaro Engineering Inc. с 1969 года начала производство и продажу газовых детекторов сначала для самых опасных газов, а затем для самых разных летучих субстанций, как пахучих, так и без запаха, под товарным знаком Figaro. Такое довольно экзотичное для японца название обычно объясняют увлечением главы компании оперным искусством, что вполне может быть, но выбор именно Фигаро, наверное, все-таки было прозрачным намеком на первые слова из арии героя этой оперы «Фигаро тут, Фигаро там». К слову сказать, название первого портативного газоанализатора для горнодобывающей промышленности конкурента Figaro Engineering Inc. американской компании Bacharach, Inc., выпущенного в том же 1969 году, было «Canary» («Канарейка»).
Эволюция газоанализаторов – отдельная большая и интересная история. Но это направление инженерно-изобретательской мысли шло по своей траектории. На сегодня в их классификации различают три основных типа: химические, или объемно-манометрические; основанные на физических методах анализа, включающих вспомогательные физико-химические процессы (термохимические, электрохимические, фотоионизационные, фотоколориместрические, хроматографические и т.д.); основанные на чисто физических методах анализа (термокондуктометрические, денсиметрические магнитные, оптические и т.д.). И сегодняшние достижения в этих областях впечатляют. Достаточно серьезно, на мировом уровне занимались газоанализаторами в 60-е и 70-е годы и в нашей стране. Как внешне выглядели их советские образцы 1970-х годов можно посмотреть здесь.
Параллельно велись исследования нейрофизиологии обоняния. В 1965 году в «The Journal of Physiology» вышла статья Уолтер Питтса с соавторами из лаборатории электроники Массачусетского технологического института (MIT) «Химическая передача нервного импульса в носу лягушки», где достаточно подробно было описано устройство природного органа обоняния позвоночных, к каковым относимся и мы с вами.
«Чувствительные нервные клетки расположены в эпителиальном слое слизистой оболочки носа. У каждого нейрона есть обонятельный стержень, от которого отходят концевые ресничкоподобные отростки, которые омываются слизью, стекающей по слизистой оболочке носа. Эти стержни и клеточные тела покрыты поддерживающими клетками. Каждый нейрон также выделяет немиелинизированный аксон, который проникает через базальную мембрану и соединяется с другими, образуя пучки, из которых формируется обонятельный нерв… Этот упорядоченный набор нервно-независимых элементов генерирует несколько видов электрических сигналов. Один из них – это медленное изменение разности потенциалов, измеряемой на слизистой оболочке. Другой – активность обонятельного нерва».
Целью авторов статьи было выяснить, какая связь существует между этими сигналами. Они приводят рисунок – схему аппарата с микроэлектродами для записи импеданса в слизистой оболочки обоняния лягушки, обдуваемой воздухом с запахами. Картина получилась любопытная. «Волокна обонятельного нерва лягушки демонстрировали непрерывную, но зашумленной активностью. Одни запахи подавляли их, другие возбуждали, третьи не никак влияли на них, но иногда их шумная базовая активность становится ритмичной». Но это все, продолжение их исследование не имело. Возможно, потому что весь цвет американской нейрофизиологии был озабочен гораздо более актуальной проблемой – визуальным протезированием. Как раз в середине 1960-х годов появился первый такой протез, и авторы статьи об обонянии лягушки вернулись к более знакомому им делу – ощущениям, возникающим при электростимуляции зрительной коры головного мозга. Ведь за двадцать лет до этого Уолтер Питтс впервые построил математическую модель искусственной нейросети, которая легла в основу машинного зрения.
Тем не менее, мысль о том, что если речь идет о моделировании природного чувства обоняния, то расширение до бесконечности матриц газоанализаторов конкретных химических веществ, что происходило в 1960-е и 70-е годы – тупиковый путь, и надо зайти с другой стороны. Первыми это сделали биохимики Кришна Персод и Джордж Додд из университета Уорика в Ковентри. В журнале «Nature» от 23 сентября 1982 года они опубликовали статью «Анализ механизмов распознавания в обонятельной системе млекопитающих с использованием модели носа». Она свободно доступна в Сети, желающие могут прочитать ее самостоятельно или хотя бы посмотреть в ней рисунки и прочитать подписи под ними. Этого вполне достаточно, чтобы понять устройство их электронного носа.
Если в двух словах, то оно сводилась к построению искусственной двухсл��йной нейросети датчиков обоняния. Если же подробнее, то Персод и Додд исходили из предположения, что высокую чувствительность к запахам и высокую способность различать их обоняние животных и человека обязано «широко настроенным рецепторным клеткам, организованным в конвергентные нейронные пути». А говоря проще, импульсные потоки от первичных обонятельных датчиков-нейронов идут к одному вторичному (вставочному, ассоциативному) нейрону, передающему сигнал дальше – в обонятельные отделы центральной нервной системы.
«В среднем 10-20 000 первичных нейронов взаимодействуют с одним вторичным нейроном, – писали изобретатели. – Вторичные нейроны проявляют довольно специфическую реакцию на различные типы запахов, но особенности реакции первичных нейронов, связанных с каким-либо конкретным вторичным нейроном, неизвестны… В качестве проверки этой гипотезы мы сконструировали электронный нос с использованием полупроводниковых преобразователей… Он может воспроизводимо различать самые разнообразные запахи, и устроен так, что распознавание в обонятельной системе может быть достигнуто без использования высокоспецифичных рецепторов». Иными словами, они исключили из компетенции своего электронного носа одоранты «особой биологической важности, такие как сексуальные феромоны, для которых существуют специфические рецепторные белки».
«Таким образом, мы сделали следующие допущения при разработке электронного носа, который может научиться различать запахи: нет необходимости в датчиках, специфичных для запаха, а для идентификации запаха служит соотношение сигналов от датчиков с перекрывающимися широкими диапазонами чувствительности. Электрическая реакция первичных нейронов (R) пропорциональна логарифму концентрации отдушки [O] в диапазоне концентраций и может быть описана уравнением R = a log [O] где a – постоянная отдушки, характерная для конкретной отдушки (термин «отдушка» здесь можно заменить более простым и понятным словом «запах» – Ред.)».
В роли сенсоров в электронном носе Персода и Додда использовались три газовых датчика компании «Figaro»: 812 – универсальный датчик горючих газов; 813 – более чувствительный к спиртам; и 711, который более чувствителен к монооксиду углерода. При использовании попарно двух из этих трех датчиков, нос надежно распознавал запахи амилацетата, этанола, эфира, октанола, валериановой кислоты, метилпиразина, лимонного масла, «изожасмона» (синтетическое душистое вещество, которое используется парфюмерами для имитации аромата жасмина).
«Используя три датчика, система может имитировать обонятельную систему млекопитающих на общем уровне… Устройство реагирует на широкий спектр запахов, но поскольку у него нет памяти запахов, оно не распознает запах. Таким образом, необходимо откалибровать нос, воздействуя на него различными запахами и фиксируя реакцию в памяти», – сделали вывод изобретатели.
Компьютерной памяти у их носа не было. И вообще, это была всего лишь принципиальная модель устройства электронного носа, имитирующего природный орган обоняния, где, как писали изобретатели «высшие центры обрабатывают набор сигналов, поступающих из низших центров, и этот набор используется для кодирования определенного типа запаха. Возможно, удастся стимулировать этот процесс, используя некоторые принципы классификации образов, полученные в результате исследований в области искусственного интеллекта». А в заключение добавили: «Электронный нос, способный к точному распознаванию и представляющий интерес в качестве устройства контроля качества в отраслях, связанных с ароматами, отдушками и запахами, может быть создан с использованием принципов, которые мы использовали при создании простого носа, а также последних разработок в области микроэлектроники».
Читая их статью, трудно избавиться от чувства дежавю. Так все это напоминает путь, уже пройденный за несколько десятилетий до этого создателями машинного зрения, начиная от математической модели искусственной нейронной сети Уолтера Питтса и Уоррена Маккалока 1943 года до «Пандемониума» Оливера Селфриджа 1958 года, где нейрофизиологический процесс визуального восприятия сводился к математической модели четырехслойной искусственной нейросети, в которой на нижней ступеньке были демоны-рецепторы, передающие их по конвергентным нейронным путям вычислительным демонам, выполняющим более или менее сложные вычисления и отправляющие их результаты когнитивным демонам, которые взвешивают доказательства и сообщают свое заключение демону самого высокого уровня, принимающему окончательное решение, что именно видит глаз смотрящего.
У Кришны Персода и Джорджа Додда была двухслойная нейросеть из трех газовых датчиков с перекрывающимися диапазонами чувствительности (аналогами синусов Хебба в моделях искусственного зрения), и как показали дальнейшие исследования нейробиологов, для обоняния ее оказалось достаточно. А остановились они на том этапе, который в случае машинного зрения прошел в 1962 году Фрэнк Розенблатт, продемонстрировав работу свой первой версии зрячего нейрокомпьютера «Mark I Perceptron». Выходит, что Персод и Додд шли по уже проторенной дорожке? В теории – да, на практике – нет.
Персод и Додд не углублялись в математические рассуждения, они просто взяли и измерили запах доволь��о простым устройством и ограничившись при этом самыми простыми алгебраические расчетами. И у них получилось. Что делать дальше было ясно всем, кого это затрагивало: совершенствовать датчики Е-носа и писать для него программное обеспечение. И, конечно же, подавать заявки на патенты. Такие патенты вскоре появились и число их быстро росло. Только при поиске ранних патентов на E-nose надо иметь в виду, что тогда этот термин еще не был общеупотребительным, и патенты изобретатели брали на «сенсор», «анализатор», «электронный рецептор», «систему распознавания запахов» и еще что угодно, только не «электронный нос».
Одни историки электронного носа пишут, что впервые термин E-nose прозвучал на очередной конференции научно-технического агентства (STO) НАТО, проходившей летом 1991 года в Исландии, только по какой-то причине не указывают, кто именно из полутора сотен ее участников и в каком контексте докладывал об этом. Хотя и так можно догадаться, какие запахи интересовали НАТО и какие «электронные носы» были нужна этой организации. Другие историки отдают первенство Джулиану Гарднеру, профессору Инженерной школы Уорикского университета в Ковентри, где до него работали Персод и Додд. Мол, Гарднер ввел оборот этот термин в 1994 году, когда сформулировал свою концепцию электронного носа. Он действительно одним из первых стал пользоваться термином «электронный нос», но гораздо раньше. Первая публикация его доклада на Европейском конгрессе по хеморецепции «Распознавание паттернов (запахов – Ред.) с помощью электронного носа университета Уорика» датируется 1987 годом. Похоже, понятие E-nose стало привычным в инженерном коллективе Уорикского университета, когда там еще работали Персод и Додд. А в 1991 году кто-то из них рассказал об этом на конференции НАТО. А патенты, где изобретатели писали, что они изобрели очередную разновидность «электронного носа», а не чего-то иного, появились в нулевые года нашего века.
В том же 1991 году произошло более значительное событие в области искусственного распознавания запахов. Ричард Аксель и Линда Бак из Колумбийского университета опубликовали в журнале «Cell» статью «Новое мультигенное семейство может кодировать рецепторы запаха: молекулярная основа распознавания запаха», которая в 2004 году принесла им Нобелевскую премию по физиологии и медицине за «исследования обонятельных рецепторов и организации системы органов обоняния».
Согласно их наблюдениям за обонянием крыс, в их носу каждая обонятельная клетка содержит только один тип обонятельных рецепторов и может распознавать ограниченное количество пахучих веществ, то есть обонятельные рецепторные клетки специализируются на распознавании нескольких запахов. При контакте с воздухом, попадающим в нос, рецепторные клетки посылают сигнал в микродомены – обонятельные луковицы, первичную обонятельную область мозга, а оттуда в те отделы головного мозга, которые отвечают за обоняние. Впрочем, все это было не новостью и уже описано Уолтером Питтсом в 1965 году.
Новость состояла в том, что в геноме крысы было обнаружено около 1000 генов, кодирующих столько типов рецепторных клеток. При экспрессии генов информация из них передается синтезируемым в клетке белкам, которые через посредника активирует ионные каналы, те открываются, и клетка активируется. Белки между собой родственные, но все-таки различаются и потому рецепторные клетки реагируют на разные молекулы, вызывающие обонятельные ощущения.
Впрочем, все это тонкости молекулярной генетики, а для IT-специалиста, пишущего программу для электронного носа, и вовсе безрадостная исходная задача. Классическая искусственная нейросеть оказывается вывернутой наизнанку. Первичных рецепторных клеток одна тысяча, а рецепторов второго уровня – микродоменов (обонятельных луковиц) 2000. И это у крысы. У человека картина еще более удручающая: рецепторов первого уровня всего 500. Вероятно, со временем появится соответствующий математический аппарат для подобных расчетов и соответствующий по мощности компьютер достаточно компактного размера. Но пока «электронные носы», как бы ни нахваливали их разработчики в своих патентных заявках, способны моделировать лишь небольшие сегменты природной обонятельной системы.
Впрочем, и те, что есть, внушают большое уважение и порой похожи на волшебство. Они применяются во многих областях народного хозяйства, сфере безопасности, медицине, где доктора уже реально ставят диагнозы по запаху выдыхаемого пациентом воздуха. Но это уже новейшая история искусственного распознавания запахов. А нам в заключение хотелось бы отметить любопытную закономерность связи изобретений и открытий в областях, касающихся органов чувств.
У нас пять органов чувств: зрение, слух, обоняние, вкус и осязание (новомодные гипотезы о том, что каждое из них представляет собой комбинацию из двух десятком сенсорных систем, оставим в стороне, пока эти гипотезы не станут строго доказанной теорией). Первые три чувства – слух, зрение, и обоняние – уже обзавелись электронными аналогами, причем хронологические именно в таком порядке. И в том же порядке за открытия естественных, природных нейрофизиологических механизмов слуха, зрения и обоняния у человека были присуждены Нобелевские премии. В 1961 году «за открытие физических механизмов восприятия раздражения ушной улиткой»; в 1981 году «за открытия, касающиеся принципов переработки информации в зрительной системе»; в 2004 году «за открытие рецепторов обоняния и организации обонятельной системы».
При этом изобретения и патенты всегда предшествовали открытиям нобелевского уровня. На очереди «электронный язык» и «электронная кожа» с собственными тактильными ощущениями. Они пока в начальной стадии разработки, однако Нобелевскую премию «за открытие рецепторов температуры и осязания», или как ее уже назвали «за вкус боли», уже дали в 2021 году. Похоже, авансом.
О сервисе Онлайн Патент:
Онлайн Патент — цифровая система № 1 в рейтинге Роспатента. С 2013 года мы создаем уникальные LegalTech‑решения для защиты и управления интеллектуальной собственностью. Зарегистрируйтесь в сервисе Онлайн‑Патент и получите доступ к следующим услугам:
Онлайн‑регистрация программ, патентов на изобретение, товарных знаков, промышленного дизайна;
Опции ускоренного оформления услуг;
Бесплатный поиск по базам патентов, программ, товарных знаков;
Мониторинги новых заявок по критериям;
Онлайн‑поддержку специалистов.
