Dlaczego nie możemy zastąpić psów tropiących elektronicznymi nosami?

W porównaniu z innymi zmysłami znaczenie naszego węchu jest często marginalizowane. Nosy mogą nas ostrzegać przed takimi zagrożeniami jak zepsute jedzenie, ulatniający się gaz czy przypalające się grzanki. Jednak do zaawansowanych zadań, takich jak wykrywanie bomb lub kontrabandy bądź chorób takich jak rak, często wykorzystujemy doskonałe zdolności węchowe psów.

Tresura zwierząt wymaga czasu, a ich praca może być żmudna, a nawet niebezpieczna. Biorąc pod uwagę nasze coraz bardziej zaawansowane umiejętności w zakresie elektroniki, dlaczego nie możemy stworzyć elektronicznych nosów w ich zastępstwo?

Według Roque, adiunktki inżynierii biomolekularnej w NOVA School of Science and Technology w Portugalii, koncepcja e-nosów istnieje od lat 80. XX w.

„Urządzenia naśladujące działanie układu węchowego zazwyczaj wyposażone są w komorę imitującą jamę nosową oraz czujniki odpowiadające receptorom węchu”, wyjaśnia. Docierające do komory złożone mieszaniny odorantów wywołują zmiany właściwości fizykochemicznych czujników, które przetwarzane są na sygnały elektroniczne.Wykrywanie zapachów umożliwiają przede wszystkim lotne związki organiczne (LZO). Są to małe cząsteczki o wysokiej prężności par, za sprawą której łatwo odparowują one do stanu gazowego.

Kiedy zwierzęta poczują jakiś zapach, zazwyczaj wiedzą, która reakcja fizjologiczna i behawioralna, taka jak strach lub pobudzenie, będzie najbardziej odpowiednia w danej sytuacji. Jednak aby umieć dopasowywać zapachy do materiału źródłowego, e-nos musi zostać wytrenowany przy użyciu zestawów danych próbek LZO.

„Przykładowo, aby wytrenować e-nos do odróżniania dwóch marek kawy – A i B – należy zebrać sygnały z czujników dla kilku próbek kawy A i kilku próbek kawy B”, dodaje Roque. Oznacza to, że aby sprawdzić się w działaniu, e-nosy potrzebują pracochłonnych przygotowań – podobnie jak psy tropiące.

„Teoretycznie e-nosy można wytrenować do wyczuwania dowolnej próbki LZO. Kilka przykładów danego zapachu mogłoby nauczyć system rozpoznawania związanego z nim wzorca sygnału”, mówi Roque. „E-nosy mogłyby również potencjalnie wykrywać nowe LZO bez wcześniejszego wytrenowania, ale jest to obecnie bardziej realne w przypadku czujników, które są wysoce selektywne względem konkretnych LZO lub klas LZO”.Pełniąc rolę koordynatorki projektu SCENT, Roque opracowała nowy czujnik żelowy zdolny do wykrywania objawów choroby. W obecności określonych lotnych związków organicznych żel ten zmienia swoje właściwości, a algorytmy wykorzystują te reakcje sygnaturowe do skatalogowania różnych patogenów.

Wykazano zdolność e-nosa do przewidzenia z dużą dokładnością i precyzją obecności chorobotwórczych mikrobów w próbce. Naukowcy odkryli również, że zaledwie 18 LZO umożliwiło e-nosowi identyfikację patogenów z 77 % dokładnością oraz sięgającą 100 % precyzją.

„Obecnie wykrycie zakażenia bakteryjnego w warunkach klinicznych trwa 24–36 godzin, a w przypadku bakterii charakteryzujących się wolnym wzrostem – nawet tydzień. Dzięki zdolności do wykrywania bakteryjnych LZO jako biomarkerów zakażenia e-nosy przyspieszają ten proces, poprawiając wyniki kliniczne”, wyjaśnia Roque.Jak mówi Roque, obecnie na rynku dostępne są pewne technologie e-nosowe, np. systemy monitorowania jakości powietrza. Jednak psy często biją je na głowę.

„Pomimo możliwości wytrenowania e-nosów do wyczuwania większości zapachów, które mogą wyczuć psy, nasi czworonożni przyjaciele mają na tym polu znaczącą przewagę. Ich zmysł węchu jest niezwykle czuły i potrafi zidentyfikować LZO w bardzo niskich stężeniach. Cykl eksploatacyjny czujników jest też krótszy niż długość życia psa, a do tego są bardziej wrażliwe na wilgoć i temperaturę”, zauważa Roque.

Kolejnym wyzwaniem jest osiągnięcie stopnia miniaturyzacji wymaganego dla mobilnych lub autonomicznych e-nosów, co utrudnia wymagana moc obliczeniowa i duża liczba próbek walidacyjnych, które muszą pomieścić czujniki.

Nie wspominając o przeszkodach natury regulacyjnej, które również utrudniają włączenie takich urządzeń do ogólnego użytku.

Jednak przed e-nosami rysuje się świetlana przyszłość”, mówi Roque. „Wraz z rozwojem technologii, umożliwiającym szybszą analizę, z większą dokładnością i precyzją, wkrótce z pewnością zobaczymy nowe zastosowania e-nosa, zwłaszcza w dziedzinie diagnostyki klinicznej”.

Zła wiadomość dla psów – roboty mogą odebrać pracę także im.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o badaniach Roque: Wykrywanie chorób za pomocą żelowego sztucznego nosa