Почему электронные носы пока не могут заменить собак-ищеек?

По сравнению с другими чувствами обоняние часто недооценивают. Нос может предупредить об опасности, например, об испорченной еде, утечке газа или подгоревшем тосте. Но для сложных задач, таких как обнаружение взрывчатки, контрабанды или болезней вроде рака, мы часто полагаемся на превосходное обоняние собак.

Обучение животных требует времени, а их работа может быть тяжелой и даже опасной. Учитывая наши растущие электронные возможности, почему мы не можем создать электронные носы?

По словам Роке, доцента биомолекулярной инженерии в NOVA School of Science and Technology (Португалия), концепция электронных носов существует с 1980-х годов.

"Устройства, имитирующие обонятельную систему, обычно имеют камеру, представляющую носовую полость, и сенсоры — обонятельные рецепторы", — объясняет она. Сложные смеси одорантов, попадающие в камеру, вызывают изменения физико-химических свойств сенсоров, которые преобразуются в электронные сигналы.

Химия запахов

Запахи, по сути, обнаруживаются благодаря летучим органическим соединениям (ЛОС). Это небольшие молекулы с высоким давлением пара, то есть они легко испаряются в газообразное состояние.

Когда животные сталкиваются с запахом, они обычно знают, какой физиологический и поведенческий ответ (например, страх или возбуждение) наиболее уместен. Но электронный нос необходимо обучать на наборах данных образцов ЛОС, чтобы научить его сопоставлять запахи с их источником.

"Представьте, что вы обучаете электронный нос отличать два сорта кофе — A и B. Вам нужно собрать сигналы сенсоров для нескольких образцов кофе A и нескольких образцов кофе B", — добавляет Роке. Это означает, что, как и собаки-ищейки, электронные носы требуют много тренировок, чтобы быть полезными.

"В теории электронные носы можно обучить чувствовать любой образец ЛОС. Несколько примеров конкретного запаха могут научить систему распознавать связанный с ним сигнальный паттерн", — отмечает Роке. "Электронные носы также потенциально могут обнаруживать новые ЛОС без предварительного обучения, но на данный момент это более реалистично для сенсоров, высокоселективных к определённым ЛОС или классам ЛОС".

Обнаружение болезней

Будучи координатором проекта SCENT, Роке разработала новый гелевый сенсор, способный обнаруживать признаки болезни. Гель изменяет свои свойства в присутствии определённых ЛОС, а алгоритмы используют эти характерные реакции для каталогизации различных патогенов.

Электронный нос смог предсказать наличие болезнетворных микробов в образце с высокой степенью точности. Также было обнаружено, что всего 18 ЛОС позволяют электронному носу идентифицировать патогены с точностью 77% и до 100% прецизионностью.

"В настоящее время обнаружение микробной инфекции в клинических условиях занимает 24–36 часов, а для медленно растущих бактерий — до недели. Обнаруживая бактериальные ЛОС в качестве биомаркеров инфекции, электронные носы ускоряют этот процесс, улучшая клинические результаты", — поясняет Роке.

Так почему же собаки всё ещё впереди?

По словам Роке, некоторые технологии электронных носов уже доступны на рынке, например, системы мониторинга качества воздуха. Но часто собаки превосходят их.

"Хотя в теории должно быть возможно обучить электронные носы чувствовать почти всё, что могут чувствовать собаки, у собак остаются определённые преимущества. Их обоняние чрезвычайно чувствительно и может идентифицировать ЛОС при очень низких концентрациях. Сенсоры также имеют меньший срок службы, чем собаки, и более уязвимы к влажности и температуре", — отмечает Роке.

Ещё одна проблема — достижение необходимой степени миниатюризации для мобильных или автономных электронных носов, учитывая требуемую вычислительную мощность и большое количество валидационных образцов, которые должны обрабатывать сенсоры.

Не говоря уже о регуляторных барьерах, которые необходимо преодолеть для публичного использования таких устройств.

Тем не менее, будущее электронных носов выглядит светлым, считает Роке. "По мере развития технологий, ведущих к более быстрому анализу с более высокой точностью и прецизионностью, я уверена, что вскоре мы увидим новые применения электронных носов, особенно в клинической диагностике".