Ερευνητές του Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) παρουσίασαν έναν νέο οδικό χάρτη για την ανάπτυξη μιας προηγμένης ηλεκτρονικής «μύτης», η οποία συνδυάζει αισθητήρες νέας γενιάς με τεχνητή νοημοσύνη, ώστε να αναγνωρίζει και να ταξινομεί τεράστιο αριθμό διαφορετικών οσμών.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Progress in Materials Science, συγκεντρώνει τις σημαντικότερες εξελίξεις στον σχεδιασμό υλικών, την κατασκευή αισθητήρων και την αξιοποίηση αλγορίθμων μηχανικής μάθησης για την αναγνώριση οσμών.
Υλικά που λειτουργούν όπως οι οσφρητικοί υποδοχείς
Στο επίκεντρο της έρευνας βρίσκονται τα μεταλλο-οργανικά πλέγματα (Metal-Organic Frameworks – MOFs), πορώδη υλικά που αποτελούνται από μεταλλικά ιόντα και οργανικές ενώσεις.
Χάρη στη μικροσκοπική πορώδη δομή τους, τα MOFs μπορούν να απορροφούν αποτελεσματικά μόρια οσμών. Παράλληλα, οι χημικές και δομικές τους ιδιότητες μπορούν να προσαρμοστούν ανάλογα με την εφαρμογή, επιτρέποντας την ανάπτυξη αισθητήρων με υψηλή ευαισθησία, γρήγορη απόκριση και χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.
Η τεχνητή νοημοσύνη αποκωδικοποιεί τις οσμές
Το σύστημα βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί η ανθρώπινη όσφρηση. Στη φύση, κάθε μυρωδιά ενεργοποιεί ταυτόχρονα πολλούς διαφορετικούς οσφρητικούς υποδοχείς, δημιουργώντας έναν μοναδικό συνδυασμό σημάτων που αναγνωρίζει ο εγκέφαλος.
Με παρόμοιο τρόπο, η ηλεκτρονική «μύτη» χρησιμοποιεί πολλαπλούς αισθητήρες MOF με διαφορετικές αποκρίσεις. Τα δεδομένα που συλλέγονται αναλύονται στη συνέχεια από αλγορίθμους μηχανικής μάθησης και βαθιάς μάθησης, οι οποίοι αναγνωρίζουν πολύπλοκα μοτίβα οσμών με μεγάλη ακρίβεια.
Τρεις κατηγορίες αισθητήρων
Οι ερευνητές ταξινόμησαν τις τεχνολογίες σε τρεις βασικές κατηγορίες: τα βασικά MOFs, τα σύνθετα υλικά MOF-composites και τα παράγωγα MOF-derivatives.
Κάθε κατηγορία προσφέρει διαφορετικά πλεονεκτήματα, όπως μεγαλύτερη ευαισθησία, αυξημένη σταθερότητα και καλύτερη επιλεκτικότητα στην αναγνώριση συγκεκριμένων οσμών.
Ο συνδυασμός αυτών των υλικών με τεχνητή νοημοσύνη επιτρέπει την αξιόπιστη αναγνώριση ακόμη και ιδιαίτερα σύνθετων μιγμάτων οσμών.
Εφαρμογές από την ιατρική έως τα αυτόνομα ρομπότ
Οι επιστήμονες εκτιμούν ότι οι ηλεκτρονικές «μύτες» νέας γενιάς θα μπορούσαν να αξιοποιηθούν σε πολλούς τομείς.
Μεταξύ των πιθανών εφαρμογών περιλαμβάνονται η έγκαιρη διάγνωση ασθενειών μέσω της ανάλυσης της αναπνοής, η παρακολούθηση της ποιότητας του αέρα, η ανίχνευση επικίνδυνων αερίων στη βιομηχανία, η έξυπνη γεωργία, καθώς και η ανάπτυξη συστημάτων «χημικής αντίληψης» για αυτόνομα οχήματα και ρομπότ.
Σύμφωνα με την ερευνητική ομάδα, ο σχεδόν απεριόριστος αριθμός διαφορετικών MOFs που μπορούν να σχεδιαστούν ανοίγει τον δρόμο για ηλεκτρονικές «μύτες» ικανές να διακρίνουν δεκάδες χιλιάδες διαφορετικές οσμές με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια.