Человеческий нос способен распознавать множество запахов, однако далеко не всегда может точно определить их источник или уловить опасные концентрации веществ. Именно поэтому ученые продолжают искать способы создать электронные системы, способные анализировать воздух значительно точнее человека. Одним из таких решений стал новый сенсорный чип, разработанный исследователями Калифорнийского университета в Беркли.
Устройство представляет собой массив из 16 миниатюрных газовых датчиков, каждый из которых по-разному реагирует на молекулы, выделяемые различными продуктами питания. Вместе они формируют своеобразный цифровой аналог обоняния, позволяющий распознавать характерные химические «отпечатки» свежих и испорченных продуктов, а также потенциально опасных пищевых аллергенов.
По словам ведущего автора исследования Карлы Бассил, каждый сенсор покрыт собственной чувствительной пленкой. При контакте с определенными газами происходят химические реакции, которые преобразуются в электрические сигналы. Затем система машинного обучения анализирует комбинацию этих сигналов и определяет, какому продукту или запаху они соответствуют.
Одной из главных инженерных задач стало объединение большого количества различных газовых сенсоров на одном компактном чипе. В отличие от привычных бытовых датчиков угарного газа, реагирующих лишь на одно вещество, новая система должна одновременно различать десятки различных соединений.
Для этого исследователи использовали углеродные нанотрубки вместо традиционных оксидов металлов. Такой материал сохраняет высокую чувствительность при комнатной температуре и позволяет применять широкий спектр полимерных покрытий, которые не выдержали бы нагрева. Кроме того, технология изготовления оказалась сравнительно простой: чувствительные слои наносятся методом капельного осаждения тонкой пленки.
Во время испытаний нейросеть обучили распознавать газовые профили нескольких популярных продуктов, включая клубнику, бананы, чернику, грецкие орехи, фундук, кешью и арахис. Также система научилась отличать запах свежей курицы, молока и яиц от продуктов, которые пролежали при комнатной температуре 24 или 48 часов.
Особый интерес представляет способность устройства обнаруживать потенциально опасные аллергены. Во время экспериментов «электронный нос» смог определить присутствие всего 0,05 грамма грецкого ореха — примерно одной сотой очищенного ядра. Пока исследователи не проверяли, сможет ли система столь же эффективно находить следовые количества аллергенов в сложных блюдах или продуктах, хранящихся рядом с другими источниками запахов, однако такие эксперименты уже входят в планы команды.
Авторы считают, что разработка может найти применение не только в пищевой промышленности и медицине, но и в бытовой электронике. Одним из наиболее перспективных направлений они называют «умные» холодильники, которые смогут самостоятельно отслеживать свежесть продуктов и предупреждать владельца о приближающемся окончании срока хранения. В перспективе подобные системы способны значительно сократить объемы пищевых отходов и повысить безопасность хранения продуктов.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances и демонстрируют, что сочетание современных газовых сенсоров с алгоритмами машинного обучения открывает новые возможности для создания интеллектуальных систем контроля качества продуктов питания.
