رائحة الأنف الإلكترونية مثل رائحة الفأر

كيف يعمل الأنف الإلكتروني

يستخدم الأنف الإلكتروني أجهزة استشعار لغاز أكسيد المعدن مع سطح استشعار يتم تسخينه وتبريده إلى درجة حرارة تتراوح بين 150 درجة مئوية و400 درجة مئوية بمعدل يصل إلى 20 مرة في الثانية. تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال على سطح الاستشعار عندما تتلامس مباشرة مع الرائحة.

الأنف الإلكتروني الجديد أصغر من بطاقة الائتمان، ويتضمن عدة أجهزة استشعار مثل تلك الموجودة على اليمين.نيك دينلر وآخرون.

الأنف الإلكتروني أصغر من بطاقة الائتمان، ويتراوح استهلاكه للطاقة من 1.2 إلى 1.5 واط فقط (بما في ذلك المعالج الدقيق وقراءات USB). قام الباحثون ببناء النظام بمكونات جاهزة، مع واجهات رقمية مصممة خصيصًا للسماح باستكشاف ديناميكيات الرائحة بشكل أكثر دقة عندما يواجهون الأقطاب الكهربائية الساخنة التي تشكل سطح الاستشعار. يقول شموكر: “تتدفق الروائح من حولنا في الهواء ويتفاعل بعضها مع هذا السطح الساخن”. “كيفية تفاعلها معه تعتمد على تركيبها الكيميائي – قد تتأكسد أو تقلل السطح – ولكن التفاعل الكيميائي يحدث.”

ونتيجة لذلك، تتغير مقاومة أقطاب أكسيد المعدن، والتي يمكن قياسها. يختلف مقدار وديناميكيات هذا التغيير باختلاف مجموعات الروائح ومواد الاستشعار. يستخدم الأنف الإلكتروني زوجين من أربعة أجهزة استشعار متميزة لبناء نمط من منحنيات استجابة المقاومة. توضح منحنيات استجابة المقاومة كيف تتغير مقاومة المستشعر بمرور الوقت استجابة لمحفز، مثل الرائحة. تلتقط هذه المنحنيات تحويل المستشعر للتفاعل الجسدي – مثل ارتباط جزيء الرائحة بسطحه – إلى إشارة كهربائية. ونظرًا لأن كل رائحة تولد نمط استجابة مميزًا، فإن تحليل كيفية تطور الإشارة الكهربائية مع مرور الوقت يتيح التعرف على روائح معينة.

يقول نيك دينلر، دكتوراه مزدوج: “لقد اكتشفنا أن التبديل السريع لدرجة الحرارة ذهابًا وإيابًا بين 150 درجة مئوية و400 درجة مئوية حوالي 20 مرة في الثانية ينتج عنه أنماط بيانات مميزة تجعل من السهل التعرف على روائح معينة”. طالب في جامعة هيرتفوردشاير وجامعة غرب سيدني. ومن خلال تكوين صورة لكيفية تفاعل الرائحة عند درجات الحرارة المختلفة، يمكن توصيل منحنيات الاستجابة بخوارزمية التعلم الآلي لاكتشاف الأنماط التي تتعلق برائحة معينة.

وفي حين أن الأنف الإلكتروني لا “يشم” مثل الأنف العادي، فإن دورة التسخين الدورية للكشف عن الروائح تذكرنا بالشم الدوري الذي تقوم به الثدييات.

استخدام الأنف الإلكتروني في إدارة الكوارث

أظهر اكتشاف أجراه باحثون في معهد فرانسيس كريك في لندن وكلية لندن الجامعية في عام 2021 أن الفئران يمكنها تمييز تقلبات الرائحة بما يصل إلى 40 مرة في الثانية، على عكس الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن الثدييات تحتاج إلى شم واحد أو أكثر للحصول على أي رائحة ذات معنى. معلومات الرائحة.

وفي العمل الجديد – الذي أجراه جزئيًا نفس الباحثين وراء اكتشاف عام 2021 – وجد الباحثون أن الأنف الإلكتروني يمكنه اكتشاف الروائح بأسرع ما يمكن للفأر، مع القدرة على حل وفك تشفير تقلبات الرائحة حتى 60 مرة في الثانية. . يستطيع الأنف الإلكتروني حاليًا التمييز بين 5 روائح مختلفة عند تقديمه منفردًا أو في خليط من رائحتين. يمكن للأنف الإلكتروني اكتشاف الروائح الإضافية إذا تم تدريبه على القيام بذلك.

يقول دينلر: “لقد وجدنا أنه يمكنه التعرف بدقة على الروائح خلال 50 مللي ثانية فقط، وفك تشفير الأنماط بين الروائح التي تتغير حتى 40 مرة في الثانية”. للمقارنة، تشير الأبحاث الحديثة التي أجريت على البشر إلى أن عتبة التمييز بين رائحتين مرتبطتين بنفس المستقبلات الشمية تبلغ حوالي 60 مللي ثانية.

يمكن لمتطلبات الطاقة الصغيرة والمتوسطة الحجم أن تمكن من نشر الأنف الإلكتروني في الروبوتات المستخدمة لتحديد مصدر الرائحة. يقول شموكر: “توجد تقنيات سريعة أخرى، ولكنها عادةً ما تكون ضخمة جدًا وستحتاج إلى بطارية كبيرة لتشغيلها”. “يمكننا وضع أجهزتنا على روبوت صغير وتقييم استخدامه في التطبيقات التي تستخدم فيها كلبًا بوليسيًا اليوم.”

يقول دينلر: “بمجرد قيامك بالقيادة، أو المشي، أو الطيران، يجب أن تكون سريعًا جدًا في الاستشعار”. “باستخدام أنفنا الإلكتروني، يمكننا التقاط معلومات الرائحة بسرعات عالية. يمكن أن تتضمن التطبيقات الأساسية مهام تنقل موجهة بالرائحة، أو بشكل أعم، جمع معلومات عن الرائحة أثناء التنقل.

ويتطلع الباحثون إلى استخدام هذه الروبوتات الصغيرة ذات الأنف الإلكتروني في تطبيقات إدارة الكوارث، بما في ذلك تحديد مواقع حرائق الغابات وتسربات الغاز، والعثور على الأشخاص المدفونين تحت الأنقاض بعد وقوع زلزال.