Все мы слышали избитую фразу о том, что большую часть информации люди получают от зрения. Действительно, остальные органы чувств у человека носят вспомогательный характер. Но это не совсем верно для всех животных, у которых роли всех пяти чувств распределены по-другому. И особняком у них стоит обоняние, очень важное как в социальных взаимодействиях, так и в поведении хищников и их жертв. Псовые и грызуны особенно сильно полагаются на свое развитое обоняние. А человеку в некоторых насущных задачах остается полагаться на тех собак и крыс, которых он обучил искать добычу, мины, контрабанду и других людей. Но в последнее время и в этой области намечается серьезный технологический прогресс.
В отличие от вкуса и осязания, требующих непосредственного контакта рецепторов с объектом, слух и обоняние полагаются на распространение аналита в воздушной среде (водной – для ее обитателей). Поэтому для эффективного распространения вещество должно быть относительно легко летучим – то есть, либо испаряться при условно-комнатной температуре, либо возгоняться, смешиваясь с воздухом и уносясь конвекционными потоками. По сути, запах – это исключительно человеческое название концентрации какого-либо вещества в воздухе. И на первый взгляд, задача измерения концентрации веществ в газовой среде уже давно решена – и в науке, и в промышленности вовсю работают методы газовой хроматографии.
Анализ газов
Как и любой хроматограф вообще, газовый хроматограф основан на взаимодействии двух фаз – подвижной и неподвижной. Растворенные в потоке подвижной фазы вещества, по-разному взаимодействуя с неподвижной, могут разделяться между собой. Они отделяются друг от друга в пространстве, а учитывая непрерывность потока – и во времени (имеется в виду, отставая в потоке подвижной фазы сильнее или меньше относительно других).
Хроматография – классический метод анализа, и газовая принципиально не отличается от жидкостной, распространенной в аналитической химии и биохимии: тот же узел ввода пробы, колонка с неподвижной фазой и блок детектора. Но хроматограф – сложный прибор для количественного анализа, с прецизионными деталями, высокими рабочими давлениями и большими габаритами. Он мало похож на нос – компактный, универсальный, не требующий подбора колонок и детекторов под конкретную задачу.
К тому же носом мы совершаем качественный анализ состава воздушной среды, а не количественный, воспринимая интенсивность сигнала только в терминах «слабее-сильнее». Этого достаточно для движения по градиенту сигнала, например, для выслеживания добычи. И это отчасти упрощает архитектуру, но заметно усложняет анализ. Очень многое здесь ложится на ассоциативную память, ведь в отличие от химика-аналитика с хроматографом животное не смотрит в справочнике, как выглядит на экране хроматографа сигнал от пищи или горящего леса. Поэтому ключ к эффективному использованию носа – развитой мозг.
Принципиальная схема
Если мы хотим воспроизвести компактную и эффективную систему детекции, которую действительно можно сравнить с носом, то нужно сменить подход к его архитектуре. Повторим: настоящий нос не делит предварительно газовую смесь на компоненты, а наоборот – одновременно получает информацию от нескольких типов рецепторов, анализируя ее сразу, а не по мере разделения на дискретные сигналы.
У людей акт обоняния происходит следующим образом. Молекулы веществ, растворенных в воздухе, вместе со вдохом попадают в носовую полость, оседая на обонятельном эпителии в верхней части носового хода. Взаимодействуя с рецепторами на окончаниях обонятельных нейронов, эти молекулы возбуждают нервный импульс, который передается по аксонам вверх через решетчатую кость к телам обонятельных нейронов в отделе мозга, называемом обонятельными луковицами. Оттуда сигнал попадает в области амигдалы, гиппокампа и передней коры, соответственно отвечающие за эмоциональную реакцию, память и когнитивную обработку. Обонятельный путь – единственный из сенсорных, который сразу ведет в области, отвечающие за память и эмоции, минуя таламус – главный «коммутатор» сенсорной нервной системы. Очевидно, физиологический смысл этого заключается в создании непосредственных сильных ассоциаций запахов со съедобностью, опасностью и жизненным опытом.
После этого следует эффективная обработка сигнала головным мозгом – ведь существует несколько сотен типов обонятельных рецепторов, которые могут создавать огромное разнообразие ощущений. А если рассмотреть мозг упомянутых грызунов, то видно, насколько велики их обонятельные луковицы, и сколько нейронов заняты в первичном получении и обработке сигнала. Увы, нейросеть человека и животных является для нас черным ящиком, но это не мешает создать и обучить для решения сходной задачи компьютерные нейронные сети.
Кроме того, нам поможет принцип разделения труда. Мы можем не конструировать универсальный нос, а ограничивать применение конкретными задачами (например, поиск угарного газа или определение момента созревания фруктов), для каждого устройства сужая спектр требуемых сенсоров и существенно упрощая анализ полученных сигналов.
Итак, если есть готовая архитектура, то каковы особенности ее реализации «в металле»?
Принципиальным компонентом является сенсор, для которого нужен материал, превращающий межмолекулярное взаимодействие в электрический сигнал. Таким материалом являются полупроводники на основе оксидов металлов, а также углеродно-полимерные композитные материалы. Кроме этого, материаловеды пробуют удешевлять технологию, делая различные полимерные покрытия на поверхности кристаллов т. н. кварцевых микровесов – микроскопических кристаллов кварца, чья резонансная частота меняется при попадании на их поверхность дополнительной массы (например, частиц пахнущего вещества, имеющих определенное сродство к ранее нанесенной полимерной пленке).
С противоположной, интеллектуальной стороны изделия идут активные разработки нейросетей и алгоритмов распознавания отдельных сигналов. Например, в данном обзоре приводится подробное сравнение использовавшихся в первых прототипах электронных сенсоров алгоритмов с эффективностью нейросетей, а также сравнение различных поколений нейросетей по таким критериям, как скорость обучения, точность, устойчивость к шуму, чувствительность к неполным данным и т. д.
Область применения
Если такие искусственные носы принципиально возможны и активно разрабатываются, то для каких задач? Где они востребованы? Оказывается, в очень многих областях.
В первую очередь, это пищевая промышленность. В последние 5 лет выходит большое количество научных публикаций на тему контроля качества и определения зараженности патогенными микроорганизмами разнообразных культур и продуктов – созревающих оливок и плодов боярышника, молока и помидоров, для определения состава соков из различных фруктов, сортов сыра, качества чая. В каких-то работах целью внедрения электронного носа называют оптимизацию техпроцесса на производстве, в каких-то наоборот, цель – адаптация носа под новую задачу или повышение его эффективности. Важно, что в ближайшее время станет понятно, оправдается ли ажиотаж на эту технологию, и действительно ли в скором времени на пищевых комбинатах и складах массово появится новый вид контроля качества, опирающийся на то, что не в силах обнаружить человек – запах ранних стадий порчи продукта или размножающегося патогена.
Другой, еще более важной областью применения электронных носов стала неинвазивная медицинская диагностика. И опять имеется множество публикаций – с помощью летучих органических компонентов, выделяющихся с кожи, и просто при анализе выдыхаемого воздуха, удается диагностировать с достаточно высокой чувствительностью рак легких, почечные заболевания и даже начальные стадии болезни Паркинсона. Для этого заболевания, которое можно точно диагностировать только после гибели половины специфических нейронов и появления двигательных симптомов, ранняя диагностика крайне важна. «Электронным носом» было показано изменение выделения кожей больных трех веществ – октаналя, гексилацетата и периллового альдегида. Причем диагностическую ценность метода удалось улучшить, просто усовершенствовав обработку данных нейросетями, а не поиском дополнительных веществ-биомаркеров болезни, которые мог бы засечь электронный нос.
Протезирование
И наконец, самое интересное: а можно ли искусственный нос применить по его самому прямому назначению? То есть, заменить им человеческий нос? Говоря коротко – это вполне может случиться, поскольку активная работа по этому направлению идет прямо сейчас.
Концепция импланта, который стимулирует область обонятельных луковиц в мозгу человека под действием сигнала от сенсоров, закрепленных на очках
В Университете Содружества Виргинии (Ричмонд, США) над этой темой работают профессор физиологии и биофизики Ричард Костанцо и профессор-отоларинголог Даниэль Коэльо. Костанцо еще в 1980-х стал сооснователем одной из первых в США клиник по лечению расстройств вкуса и обоняния и имеет много публикаций в этой области. Коэльо, в свою очередь, является экспертом в создании кохлеарных имплантов – внутричерепных устройств, позволяющих слышать людям путем стимуляции слухового нерва, в случае полного повреждения слухового аппарата вплоть до дегенерации сенсорных волосков в слуховой улитке. В 2016 году вышел их совместный патент на концепцию импланта-нейростимулятора обонятельных луковиц с внешним модулем распознавания запаха и беспроводного передатчика, носимых в виде очков.
Работу Костанцо и Коэльо подстегнула эпидемия вируса SARS-CoV-2, который в своих ранних штаммах нарушал обоняние у больных. После двухлетнего сопровождения пациентов с выявленным отсутствием обоняния коллектив клиники Костанцо опубликовал неутешительные данные: у 54% испытуемых оно восстановилось лишь частично, а у 7,5% пропало насовсем. Озадаченные такими неутешительными данными, ученые работают над испытаниями и сертификацией своего изделия, которое поможет хоть в какой-то мере вернуть людям потерянное качество жизни. Подробнее про их работу можно прочитать в статье на IEEE Spectrum.
Параллельно подобные разработки ведутся в Европе. Проект ROSE объединяет семь учреждений в странах Евросоюза, например, Технический Университет Дрездена, политехи Лозанны и Милана, и другие. Исследователи планируют сделать свой проект на основе готовых сенсоров запаха французской фирмы Aryballe. Проект стоимостью в 3 млн евро стартовал всего год назад, и в ближайшее время должны появиться первые результаты и публикации.
Таким образом, технология электронного распознавания запахов в настоящий момент активно развивается и делает первые успехи. Остается надеяться, что ее не постигнут трудности зрительных протезов, а сопутствующие исследования принесут новые фундаментальные открытия и технические новшества.
Автор статьи @Vsevo10d
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на все тарифы VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
