Электронный нос научился находить орехи и испорченную курицу. Вот как он работает

Большинство людей чувствуют запах испорченной еды только тогда, когда он уже сильный, и почти никто не различает по запаху, есть ли в блюде следы орехов. Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли создали «электронный нос», который улавливает газы от просроченных продуктов и пищевых аллергенов — и, по их словам, делает это точнее человеческого носа.

Электронный нос нашел способ выявлять опасную еду за секунды

Как работает электронный нос из 16 газовых сенсоров

Главная идея устройства — не один датчик на один газ, а целый набор разных сенсоров, которые вместе создают «отпечаток» запаха. Прибор состоит из 16 маленьких газовых сенсоров, и каждый из них покрыт собственной чувствительной плёнкой, по-своему реагирующей на молекулы газа.

Автор работы, аспирантка Карла Бассил, сравнивает чип с набором цифровых вкусовых рецепторов: каждый сенсор уникально откликается на разные молекулы, попадающие к нему. Сенсор превращает химическую реакцию между поверхностью и молекулой газа в электрический сигнал — а дальше за дело берётся машинное обучение.

Никакой магии: ни один отдельный сенсор не «узнаёт» продукт. Узнаёт его именно сочетание реакций всех 16 датчиков — как набор точек, складывающихся в характерный узор.

Электронный нос содержит 16 различных газовых сенсоров (маленькие кружочки в центре слева). Он фиксирует реакции уникального материала в каждом сенсоре и с помощью модели машинного обучения определяет, какой набор реакций связан с конкретным продуктом или запахом (справа).

Почему обычные датчики не справляются с распознаванием запахов

Домашний детектор угарного газа устроен просто: он настроен на один-единственный газ. Совместить же много разных газовых сенсоров на одном чипе оказалось технически сложно — это и было главным препятствием.

Обычно такие датчики делают из оксидов металлов, но им нужно нагреваться для работы, а высокая температура ограничивает выбор материалов. Бассил пошла другим путём и использовала углеродные нанотрубки в качестве проводящего материала.

Слои нанотрубок в сто раз тоньше человеческого волоса и при этом чувствительны уже при комнатной температуре. Это позволило подобрать гораздо более широкий набор газочувствительных материалов, включая те, что разрушились бы при нагреве, — например полимеры. Сами сенсоры наносили простым методом капельного литья (тонкую плёнку буквально «капают» на поверхность), а не сложными лабораторными техниками.

Какие продукты и аллергены научился различать прибор

Модель машинного обучения обучили распознавать профили реакций для семи продуктов: клубники, голубики, банана, грецкого ореха, фундука, кешью и арахиса. Отдельно её тренировали на запахе свежей сырой курицы, молока и яиц — и на том, как этот запах меняется после 24 и 48 часов при комнатной температуре. В обычной жизни свежесть яиц чаще всего приходится проверять вручную.

Смысл подхода в том, чтобы соединить избирательность сенсоров с умением нейросети узнавать закономерности. Так система определяет, какому продукту принадлежит конкретный «газовый отпечаток». По словам Бассил, результат получается чувствительнее и объективнее любого человеческого носа.

Особенно это важно для людей с аллергией: следы арахиса или грецкого ореха, которые человек просто не учует, могут быть опасны для жизни. Кстати, реакция на арахис и древесные орехи может различаться, ведь арахис — не орех.

Еще больше познавательных статей вы найдете в нашем Telegram-канале. Подпишитесь прямо сейчас!

Насколько чувствителен электронный нос на самом деле

Результаты впечатляют: прибор уловил фрагмент грецкого ореха массой 0,05 грамма — это примерно одна сотая часть стандартного очищенного ореха. Такая чувствительность принципиально важна, ведь для аллергиков опасны даже микроскопические количества.

Но электронный нос из Беркли — это пока не готовый прибор для кухни, а рабочий прототип с опубликованным научным исследованием. Бассил пока не проверяла, сумеет ли нос вычленить аллерген, когда рядом есть множество других запахов — например в торте или салате, или когда испорченная еда лежит в холодильнике вместе с другими продуктами.

Это типичная ситуация для ранней разработки: технология показала себя в лаборатории, но до повседневного применения её ещё нужно довести.

Электронный нос может стать частью умных холодильников будущего

Где электронный нос пригодится: умные холодильники и приложение на смартфоне

Бассил уже собрала портативную версию устройства, которой можно управлять через приложение на iPhone. А самым удачным применением она считает «умные» холодильники с датчиками, которыми можно управлять со смартфона.

Идея простая и понятная каждому: холодильник сам подскажет, что брокколи скоро испортится и её стоит съесть, а курица доживает последний день. Это и удобство, и меньше выброшенной еды, и реальная защита для аллергиков.