Электронный нос: от научной разработки до революции в бизнесе

Цифровая революция может произойти с привычным человеческим осязанием. За последние два года ученые из разных стран мира получили множество патентов на оцифровку запахов. Более того, в разработке электронного носа — прибора для оцифровки и анализа запахов — произошел настоящий прорыв. Были созданы миниатюрные устройства, которые могут «вынюхивать» не только просроченные продукты на полках, но и агрессивных пассажиров при посадке в самолет.

Запахи в цифрах

Идее создания прибора, который мог бы различать запахи и вкусы, почти 30 лет. За это время ученым удалось добиться не просто прогресса в этой области, а фактически совершить переворот. Спроектированы устройства, которые могут отличить свежий продукт от испорченного, а смелого работника от труса.

Принцип работы электронного носа ученые подсмотрели у природы. Он основан на отборе газовых проб и их анализе. Чтобы нос работал правильно, его сначала тренируют на простых запахах. Процесс простой, похож на обучение маленьких детей. Ребенок нюхает цветок, а родители его называют. После того, как устройство пройдет «детский сад», оно сможет анализировать сложные запахи, определяя смешанные в них простые компоненты.

Однако ключ к успеху технологии не в том, чтобы скопировать существующее природное решение, а в том, чтобы повысить чувствительность электронного обоняния. Летом 2019 года в реестре Роспатента зарегистрирован документ за номером 2676860, в котором описывается изобретение сверхчувствительного электронного носа.

«Изобретение должно было решить проблему с точностью анализа запахов. Мы создали высокочувствительное устройство типа «электронный нос» для анализа многокомпонентной газовой смеси, а также определения концентраций различных низкомолекулярных токсичных газов в ее составе в диапазоне концентраций менее 1 ppm», — отмечают авторы проекта. Кстати, разработчики сверхчувствительного носа — российские ученые Алексей Сизов и Даниил Анисимов.

Их решение построено на основе хемисорбционных датчиков с рецепторными слоями, отличающимися друг от друга центральным атомом металла. Оно позволяет очень точно распознавать тончайшие запахи.

«Носов» много не бывает

На днях опубликован отчет о динамике мирового рынка электронных носов. Несмотря на то, что в 2019 году объем этого рынка оценивался в $39 млн, аналитики предрекают его уверенный рост — до $59 млн в 2024 году.

Среди основных игроков — Соединенные Штаты, Канада и Мексика. Они контролируют рынок электронных носов в Северной Америке. Китай, Япония, Юго-Восточная Азия, Индия и Корея имеют огромные доли на рынке электронных носов из Азиатско-Тихоокеанского региона. Значительную часть индустрии электронных носов в Европе контролируют Германия, Великобритания, Франция, Италия и Россия. Аналитики отмечают, что по темпам роста электронных носов Египет, Южная Африка, Саудовская Аравия охватывают весь регион Ближнего Востока и Африки.

Любопытно, но значительная европейская экспертиза в области разработки электронного носа сосредоточена в России. Разработка ведется в нескольких научно-исследовательских институтах страны.

Доктор химический наук, профессор РАН Татьяна Кумченко говорит, что российские исследования в области распознавания запахов можно считать прорывными. «Мы действительно располагаем не только уникальными приборами, но и обширной библиотекой цифровых запахов. Сегодня мы можем использовать наши наработки в самых разных областях, от здравоохранения до обеспечения безопасности», — говорит она.

Однако, как видно из отчета, разработки российских ученых — далеко не единственные. Например, в Германии создан датчик на основе оксида металла. Его уникальность даже не в конструкции, а в программном обеспечении с использованием искусственного интеллекта. Благодаря нейросети датчик учится принюхиваться к изменяющимся запахам. Например, знакомая всем новогодняя елка пахнет по-разному в лесу и в теплой домашней обстановке.

В США тоже продвинулись в разработке электронного носа. Там создали и даже выпустили на массовый рынок датчик для обнаружения и идентификации сложных химических смесей, которые представляют собой ароматы, запахи, отдушки, составы, разливы и утечки. Он также используется для идентификации простых смесей и отдельных химических соединений.

Зачем нужен электронный нос

Газы и пожары

Прибор имеет очень широкое применение. Изначально ученые сфокусировались на теме безопасности на производстве, где возможна утечка опасных газов. Автоматические анализаторы помогали избежать критической ситуации, особенно когда человеку было сложно определить степень опасности и вообще ее существование.

Продвинутые электронные носы устанавливают, например, на объектах, где тушение пожаров производится специальным газом. Это могут быть центры обработки данных, где много электронной аппаратуры и обливать ее водой или специальной пеной нецелесообразно. Для тушения пожара применяется специальный газ. А чтобы персонал не задохнулся во время нештатной ситуации или из-за сбоя в системе, специалисты могут устанавливать специальные газовые носы. Электронный «нюхач» используют и при заправке баллонов с газом для тушения пожаров, чтобы проверить, нет ли утечки.

Безопасность

Не исключено, что очень скоро электронные носы окажутся на страже нашей безопасности в аэропортах и на вокзалах. По словам Татьяны Кумченко, разрабатывается прибор, который поможет распознавать агрессию и волнение. «Представьте, что пассажир будет проходить контроль безопасности через специальную рамку. В ней будут установлены приборы, улавливающие запах его тела. Как известно, при волнении, страхе или болезни запах тела изменяется. Уже сейчас есть разработки, которые по запаху позволяют определять не только, болен человек или нет, но и конкретное заболевание. Аналогично можно установить и уровень стресса или агрессии. Если мы знаем, что человек в состоянии агрессии проходит контроль, то можем предпринимать какие-то дальнейшие действия», — объясняет она.

Первые эксперименты с участием групп добровольцев прошли успешно, Татьяна Кумченко уверена, что новый вид контроля может появиться в аэропортах и на вокзалах уже довольно скоро.

Медицина

Ждут е-нос и в больницах. Так, ученые из Политехнического университета Валенсии разработали нос, который отличает пациентов с болезнью Крона от больных язвенным колитом. Прибор распознает еще и некоторые болезни пищеварительной системы, при этом делает это за считанные минуты, без длительной диагностики и консультаций.

Эмоции

Еще один необычный кейс применения электронного носа наверняка порадует владельцев бизнеса. Кадровые службы с помощью прибора в буквальном смысле могут принюхиваться к будущим сотрудникам на собеседовании. Эксперты говорят, что электронный нос может легко распознавать эмоции, различать, говорит человек правду или врет.

Продуктовый ритейл

Но есть способ применения электронного носа, который уже успешно применяется и даже решил главную проблему торговли, — поиск просроченных продуктов. Как известно, торговые точки несут значительные риски при торговле скоропортящимися товарами. Причем не всегда важно только следить за сроками годности. Настоящую «свинью» торговле может подложить поставщик товара из-за его неправильного хранения или перевозки. Электронный нос может спасти от штрафа, особенно если он умеет не просто найти испорченный продукт, а предсказать, когда его следует убрать с полок магазина.

Инженер-исследователь лаборатории «Методы, системы и технологии безопасности» СФТИ Тимур Муксунов создал такой прибор. «Мы исследовали яблоки: контрольную часть положили в холодильник, а остальные оставили в помещении при комнатной температуре. По истечении 12 часов при помощи установки удалось выявить, что вторая часть выделяет газы интенсивнее, чем контрольная. Сейчас на овощных базах прием продукции совершается по органолептическим показателям, а при помощи создаваемого устройства можно будет точнее определять срок годности продукции, что скажется на ее качестве», — рассказал ученый.

Меньше и умнее

Сегодня основная проблема — размеры прибора. Как правило, ученые работают с большими устройствами. Однако, по словам Кумченко, наблюдается миниатюризация разработки. Экспертам компании «Сенсорика» в Воронеже удалось создать устройство, которое свободно размещается на руке человека. И такое решение открывает невероятный коммерческий потенциал для использования электронного носа.

Создатели намерены использовать его в браслетах и часах. Прибор будет считывать запахи с кожи, анализировать их и предупреждать владельца часов или браслета о состоянии здоровья. Причем если сегодня продвинутые носимые гаджеты могут предсказать разве что резкое повышение давления или нестабильность пульса, то с носом в продажу поступят настоящие диагностические модели.

Кстати, в Белоруссии ученые еще больше продвинулись в решении задачи по миниатюризации устройства.

В Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники создали кристалл, который улавливает малейшие запахи и концентрирует их. Его размеры чуть больше одного миллиметра, поэтому рассмотреть его можно лишь с помощью микроскопа. Сенсор на основе кристалла анализирует и сравнивает запахи, которые внесены в базу данных компьютера. Разработка белорусских ученых улавливает самые тонкие запахи. Обоняние наноноса в несколько раз тоньше человеческого и даже собачьего.

Революция в электронике?

Появление миниатюрного сверхчувствительного и доступного по цене электронного носа может привести к появлению новой бизнес-модели позиционирования и продажи носимой электроники.

«Несколько лет назад Apple мечтала о том, чтобы сделать свои фирменные часы максимально функциональными. Чтобы они могли предупреждать развитие опасных заболеваний. Это в корне меняет текущее отношение к «умным» устройствам. Сегодня мы не воспринимаем их как действительно полезные. Даже после того, как в Apple добавили возможность с помощью часов получить кардиограмму сердца, ценность устройств мало изменилась. Да, можно с определенной долей вероятности прогнозировать некоторые сердечные заболевания. Но часы не поставят диагноз, не предупредят, что вы подцепили инфекцию или у вас развивается острое воспаление. Однако с использованием электронного носа это становится возможным. Вопрос даже не столько в миниатюризации, сколько в создании специального программного обеспечения для анализа запахов», — рассказывает директор центра разработки Artezio Дмитрий Паршин.

По его словам, разработка устройств для оцифровки запахов должна быть плотно связана с программной разработкой. «Если мы говорим о развитии умных гаджетов за счет распознавания запахов, то не сможем обойтись без использования решений на основе искусственного интеллекта. Нос должен уметь принюхиваться к изменяющемуся окружению, учитывать парфюмерию и особенности запаха разных людей», — отметил он.

По его словам, сейчас мы видим применение нейросетей для распознавания лица человека. Технология применяется в смартфонах для разблокировки и проведении мобильных платежей. Аналогично будет работать и обучение на распознавание запаха. Нейросеть будет учиться обнюхивать своего владельца, а разработчики получат уникальный опыт с предсказанием болезней и эмоционального состояния человека.