Більшість із нас використовували нюх, щоб визначити, чи можна ще їсти злегка прострочену пляшку молока або тижневу коробку їжі на винос. Але хоча людський ніс може бути досить проникливим, він не завжди вловлює всі запахи. Щороку мільйони людей хворіють від харчових патогенів, які розмножуються у недовареній чи зіпсованій їжі.
На щастя для наших шлунків новий «електронний ніс», розроблений у Каліфорнійському університеті в Берклі, може виявляти запахи зіпсованої їжі набагато точніше, ніж людський ніс. Він також може виявляти наявність поширених харчових алергенів, таких як волоський горіх та арахіс, які можуть бути смертельно небезпечні для людей з підвищеною чутливістю. Опис цього пристрою наведено у новому дослідженні, опублікованому у журналі Science Advances.
"Я думаю, що `розумні` холодильники - оснащені датчиками, якими можна керувати за допомогою телефону - стали б чудовим прикладом застосування цієї технології", - сказала провідний автор дослідження Карла Басіл, аспірантка кафедри електротехніки та комп'ютерних наук у Берклі та член дослідницької групи Джаві. "Як було б чудово, якби ваш холодильник міг сказати вам: `Гей, ваша броколі скоро зіпсується, тому вам, мабуть, варто її з'їсти`? Або: `Ваша курка доживає останній день`?"
Новий штучний ніс складається з масиву з 16 крихітних газових датчиків, кожен з яких чутливий до комбінації газоподібних з'єднань, що трохи відрізняються.
"Ви можете представити це як набір цифрових смакових рецепторів, де кожен датчик на цьому чипі унікальним чином реагує на різні молекули газу, які йому пред'являються", - сказала Басіл у своїй доповіді на конференції UC Grad Slam, присвяченій її дослідженню. "Кожен із цих 16 датчиків має окрему чутливу плівку, і він працює, перетворюючи хімічні реакції між поверхнею датчика та молекулою газу в електричні сигнали".
Використовуючи машинне навчання, Басіл навчила модель розпізнавати профілі реакції датчиків, пов'язані з сімома різними продуктами: полуницею, чорницею, бананом, горіхом, фундуком, кеш'ю та арахісом. Вона також навчила її розпізнавати запах сирої курки, молока та яєць, коли вони були свіжими та коли їх залишили при кімнатній температурі на 24 та 48 годин.
Басіл виявила, що ніс досить чутливий, щоб відчути 0,05 г ізольованого волоського горіха, що становить приблизно одну соту частину середнього очищеного волоського горіха. Однак їй ще доведеться перевірити чутливість пристрою в умовах присутності інших газів, наприклад коли волоські горіхи знаходяться в салаті або торті, або коли зіпсовані продукти знаходяться в холодильнику з іншими продуктами.
"Ідея полягає в тому, що ми можемо використовувати відносну вибірковість газових датчиків у поєднанні з можливостями розпізнавання образів машинного навчання, щоб визначити, який газовий відбиток пов'язаний з кожним харчовим продуктом", - сказала Басіл. "В результаті виходить сенсорний чип, який набагато чутливіший і об'єктивніший, ніж будь-який людський ніс".
Хоча концепція електронного носа існує з 1980-х років, втілення цієї технології в життя виявилося непростим завданням. Окремі газові датчики, подібні до тих, що використовуються в детекторах чадного газу в домашніх умовах, відносно прості у виробництві. Але інтеграція безлічі різних сенсорних плівок на одному чипі набагато складніша.
Басіл подолала багато з цих труднощів, використовуючи як провідний матеріал вуглецеві нанотрубки, а не оксиди металів. Вуглецеві нанотрубки можуть утворювати шари завтовшки всього в кілька нанометрів, що еквівалентно кільком атомам або одній сотій людської волосини. Велика площа поверхні надає їм безліч особливих властивостей, включаючи високу чутливість при кімнатній температурі.
Використання конструкції пристрою, що працює при кімнатній температурі, а не при високих температурах, дозволило Басіл вибрати ширший спектр газочутливих матеріалів, включаючи ті, які можуть деградувати при високих температурах, наприклад, полімери. Це також дозволило їй виготовити сенсорний чип за допомогою простого процесу, званого крапельним литтям замість складнішої технології.
"Справжня масштабованість мого електронного носа полягає в тому, що ми можемо використовувати всі ці різні типи сенсорних матеріалів, вносячи їх усі за один етап", - сказала Басіл.
Хоча це не було включено до нового дослідження, Басіл створила портативну версію електронного носа, якою можна керувати за допомогою програми для iPhone. Вона планує протестувати наступне покоління пристрою у ширшому діапазоні умов, продовжуючи покращувати його чутливість та надійність.
