Ученые создали электронный нос-долгожитель
Ученые Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. совместно с коллегами Технологического института Карлсруэ (Германия) и Университета "Манас" (Киргизия) разработали эффективный способ обучения электронных носов. Результаты исследования опубликованы в "Sensors".
Электронные носы - компактные устройства для распознавания запаха широкого класса химических веществ. В отличие от простых датчиков газов, они могут не только различать смеси, но и запоминать новые запахи благодаря обучению с помощью систем искусственного интеллекта.
Уже 30 лет ученые пытаются создать эффективно работающие электронные носы. Базовая идея состоит в том, чтобы не определять, какие молекулы запаха появляются в воздухе, а просто взять набор газовых сенсоров, которые реагируют на появление определенных примесей в воздухе. А дальше используется "искусственный интеллект" - компьютер учится распознавать конкретные запахи.
Обучение электронного носа похоже на тренировку поисковых собак: компьютеру, оборудованному сенсорами, показывается нужный запах, который закрепляется его обозначением. Представим, что сенсор направлен на поиск в атмосфере запаха розы. Компьютер запоминает, какой у розы "образ" и впоследствии отличает ее, например, от аромата квашеной капусты.
Но, в отличие от биологической системы обоняния, электронный нос, при помещении в реальные условия, когда в окружающей атмосфере возникает много неконтролируемых примесей, начинает "путаться" буквально через несколько дней. Ученые, часто имеющие дело с газовыми сенсорами, конечно, знают в чем дело.
"Дело в том, что сенсоры нестабильны и их показания дрейфуют со временем, - поясняет один из авторов, профессор кафедры "Физика" СГТУ Виктор Сысоев. - Потому нужны стабильные сенсоры, избегающие дрейфа. Мы продемонстрировали, как подойти к этой проблеме на примере электронного носа, основанного на мультисенсорной матрице из оксида металла".
В Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. были разработаны стабильные высокочувствительные сенсоры на основе монокристаллических нановолокон. Но, оказалось, что электронные носы на их основе могут безошибочно распознавать запахи лишь неделю-другую, а потом требуют перекалибровки.
Поэтому специалисты Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. попытались посмотреть на эту проблему с другой стороны. Речь идет о быстром алгоритме перекалибровки сенсоров с возможностью тонкой подстройки по ходу работы прибора.
"Мы выяснили, что стабильность электронного носа зависит в основном от случайных изменений состава окружающего воздуха, а ввод процедуры дообучения носа обеспечивает его стабильность на протяжении многих лет, - добавляет Виктор Сысоев. - Более того, мы впервые доказали способность прибора функционировать более восьми лет, - никто еще не демонстрировал такой долгой и успешной работы искусственных носов".
Для реализации и проверки идеи в Технологическом Институте Карлсруэ был установлен "демонстратор" электронного носа, который тщательно откалибровали (в течение двух недель) на воздействие трех "запахов": зажигалки, фломастера и "чистого" воздуха. Потом устройство стали "дообучать" согласно развитому алгоритму. То есть, если поднести к электронному носу лежащий неподалеку фломастер, сенсоры распознают его запах и автоматически используют полученные данные для своей подстройки к текущему состоянию воздуха. Эта система безошибочно работает с 2009 года.
Данная разработка имеет большое значение для практиков, так как на ее основе может быть создан "идеальный" электронный нос, являющийся стабильным и простым техническим инструментом для анализа состава газовых сред.
