«Электронный нос» поможет избежать вредных примесей в упаковке

Ученые Сколковского института науки и технологий (Сколтех) создали прибор, способный «унюхать» запах, который не чувствует человеческий нос. Прибор выявляет, есть ли посторонние запахи в упаковке для пищевых продуктов и вторичном, переработанном пластике, из которого делают хозинвентарь и различные предметы быта.

У «электронного носа» есть и другие перспективные области применения. Для мониторинга окружающей среды, например, это будет настоящий прорыв. «Электронный нос» пригодится в умном холодильнике, который будет по запаху определять свежесть продуктов. Такие приборы нужны в самолетах и на космических станциях, а еще там, где могут появиться угрожающие жизни вещества. И в медицине он тоже будет востребован: по содержанию в выдохе тех или иных газов можно определить целый ряд заболеваний.

Федор Федоров, старший преподаватель Центра фотоники и квантовых материалов Сколтеха, давно и успешно занимается созданием газоаналитических устройств, в том числе смарт-сенсоров и мультисенсорных систем, то есть «электронных носов». Поэтому коллеги из исследовательского подразделения крупной нефтяной компании, которая, в частности, производит пластик для пищевой упаковки и сейчас входит на рынок переработки пластиковых изделий, то есть производства вторичного пластика, обратились именно к нему. Дело в том, что первичный пластик, из которого делается упаковка для пищевых продуктов и фармацевтических препаратов, не должен обладать запахом. Посторонний запах может свидетельствовать о присутствии в такой упаковке вредных для человека химических веществ или об отклонении от технологии производства, что тоже нехорошо. Запах вторичного пластика необходимо знать, чтобы отличать его от первичного.

До появления «электронного носа» запах оценивали в лаборатории предприятия несколько экспертов по пятибалльной шкале, где 0 — отсутствие запаха, а 5 — очень сильный. Эксперты тоже внесли свой вклад в создание прибора. «Мы взяли данные по оценке запаха пластика в баллах от экспертов и соотнесли с данными "электронного носа". В итоге мы можем давать результаты в виде той оценки, какую дает эксперт. При этом "электронный нос" не заболеет, у него из-за ковида не пропадет обоняние. Это позволяет автоматизировать часть работы системы контроля качества»,— отмечает Федор Федоров.

Что такое «электронный нос»

Появлением «электронного носа» мы обязаны открытию, за которое американцы Линда Бак и Ричард Аксел получили в 2004 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Изучая обонятельную систему, они пришли к выводу, что мозг получает сигнал о конкретном запахе сразу с нескольких рецепторов. Это логично, ведь человек может запомнить 10 тыс. запахов, а обонятельных рецепторов всего 300 типов. Получив сигнал о запахе, мозг анализирует его и создает у себя «отпечаток пальца» этого запаха. «Это работает как дактилоскопия: получили отпечаток пальца, потом нашли его на месте преступления и сказали: вот он, наш преступник!» — объясняет Федоров.

Первый прототип искусственной обонятельной системы еще в 1982 году создали английские биохимики Кришну Персод и Джордж Додд. Они собрали несколько сенсоров, воспринимавших не каждое химическое вещество в отдельности, а весь набор химической информации, содержащейся в запахе, который часто представляет собой смесь различных веществ, и обработали полученный сигнал методами распознавания образов. У них получилось разделить запахи, отделить один от другого, классифицировать каждый. Так с помощью математической обработки они доказали, что можно создать искусственную обонятельную систему, работающую на основе принципов биологической. Конечно, биологическая обонятельная система намного превосходит искусственное обоняние по специфичности, времени отклика, стабильности и надежности.

«Электронный нос» — это, по сути, газоанализатор, но не простой. Он представляет собой линейку сенсоров и алгоритм, который обрабатывает совокупный сигнал со всех сенсоров. Чтобы алгоритм работал, сенсоров должно быть не меньше трех. В приборе Федорова их 17.

Все 17 сенсоров собраны на одном чипе. Размер чипа — 5х5 кв. мм или 10х10 кв. мм. Кроме того, на чипе расположены дополнительные элементы, которые позволяют контролировать его температуру, нагревать. При высокой температуре проще измерять, говорит Федоров.

Как сделать сенсор

«Чтобы создать газоаналитическую систему типа "электронный нос", нужно определенное сочетание компетенций, в частности в области материаловедения, микроэлектроники, анализа и обработки данных. Мы исследуем материалы с точки зрения возможности их использования в газовых сенсорах»,— рассказывает Федоров.

Большая часть исследований посвящена углеродным нанотрубкам. Они представляют собой графен, свернутый в трубку. Графен — это чистый углерод, «лист», состоящий из собранной мозаики гексагонов, образованных атомами углерода. Толщина такого «листа» — один атом, соответственно, все атомы находятся на поверхности. Он считается интересным материалом для применения в газовых сенсорах, хотя используется и в других областях. Кроме графена для сенсоров используются оксиды переходных металлов (химические элементы, в которых электроны заполняют «внутренние» электронные орбитали, d- и f-орбитали, тогда как на «внешних» — тех, что участвуют в образовании химической связи,— 1–2 валентных электрона), в том числе оксиды цинка и титана.

«Мы берем материал и делаем из него сенсор,— продолжает Федоров — Как можно сделать сенсор? Положить рядом два электрода, которые будут касаться этого материала, и измерять его сопротивление в присутствии и отсутствии запаха. Это и есть сенсор, пока только один. Если собрать несколько таких схем, это уже будет линейка сенсоров. И мы можем точно так же измерять сопротивление этой линейки сенсоров в присутствии и отсутствии запаха».

«В результате этих измерений мы понимаем, что одни значения сопротивления соответствуют воздуху, а другие полученные значения — запаху, например, розы. Написав этот алгоритм, мы выносим наш прибор с сенсорами из лаборатории, подносим к какому-нибудь цветку, и прибор "говорит": "Показания сопротивления сенсоров соответствует запаху розы. Это роза". Мы открываем глаза — действительно роза!» — шутит Федоров.

Что значит отсутствие запаха

Есть вещества, которые для человека запахом не обладают, а сенсоры на них реагируют. К таким веществам относятся, например, угарный и углекислый газ, метан. «Когда мы начали тестировать пластик, который используется для пищевой упаковки, то увидели, что человек запах пластика может не чувствовать, а прибор чувствует, показывая изменения в сопротивлении. Это означает присутствие каких-то "лишних" веществ,— объясняет Федоров.— Тогда мы стали "тренировать" наш прибор на запах нескольких пластиков, а потом сделали модель, которая позволяет с определенной долей вероятности описать, к какому классу пластиков относится этот запах».

«Электронный нос», в отличие от хроматографии, которая разделяет запах на компоненты, позволяет сделать «отпечаток пальца» и оцифровать сам запах. Он «знает», что этот запах относится к этому пластику, а другой запах — к другому. «И потом, когда мы снова встретим этот пластик, мы скажем: это он!» — говорит исследователь Сколтеха.

Но чтобы этого результата добиться, надо научить сенсоры запахам, которыми могут пахнуть пластики. Для этого сначала нужно набрать базу данных.

Как работают алгоритмы

Дальше в дело вступают алгоритмы. Есть алгоритм машинного обучения, есть более простые, например, уменьшения размерности пространства, есть алгоритмы с учителем, есть без учителя. С учителем — это когда изначально известно, что это за вещество, и на нем тренируется модель, а потом уже учитель не нужен, натренированная модель сама определяет анализируемое вещество. Без учителя — это метод главных компонент (один из основных способов уменьшить размерность данных, потеряв наименьшее количество информации). «Мы часто используем алгоритм машинного обучения random forest (метод случайного леса) и другие методы»,— объясняет Федоров.

«При измерении мы сначала в специальный контейнер засыпаем пластик. Через него пропускается воздух, который идет к "электронному носу". Мы берем сигнал сенсоров, обрабатываем алгоритмами и получаем решение,— продолжает специалист.— У нас есть несколько вариантов реализации. Один из них — столбчатая диаграмма, которая говорит, например, что с 90-процентной вероятностью перед нами запах розы. Или он может, например, сказать: это запах пластика, который сделан из полиэтилена высокого давления, но есть еще какой-то запах, который соответствует вторичному пластику. А может выдать, что запах соответствует запаху воздуха, а это значит, нет запаха. А если он еще что-то нанюхал, мы должны посмотреть, что именно, и если у нас уже есть такие "отпечатки пальцев", предположить, с чем может быть связан этот запах».

В ближайших планах исследователей из Сколтеха — создание «электронных носов» для мониторинга окружающей среды, анализа выбросов в городе и на производстве и еще для умного дома, то есть анализа атмосферы в помещениях. А разработанный прибор пока существует в виде макетного образца. Он стоит у заказчика и проходит тестовые испытания. Специалисты продолжают собирать базу данных. Их задача — расширить список пластиков настолько, чтобы полностью убрать человека с производственного этапа, на котором у пластика выявляют запах.

Елена Туева