Искусственный интеллект научат распознавать запахи, как человек
Об этом сообщает журнал Progress in Materials Science, где опубликована работа команды под руководством Хёк-Джун Квона из Тэгуского института науки и технологий Кенбук (Южная Корея). Исследователи собрали и систематизировали ключевые наработки в области технологии «электронного носа» — от материалов для датчиков до алгоритмов искусственного интеллекта, которые распознают запахи по их «отпечатку».
Что такое электронный нос и зачем он нужен
Электронный нос, или искусственная обонятельная система, — это технология, при которой множество датчиков реагируют на молекулы запаха, а искусственный интеллект учится распознавать и анализировать возникающие при этом сигнальные паттерны. Потенциальных сфер применения масса — от контроля безопасности продуктов питания и мониторинга загрязнения воздуха до обнаружения опасных газов и диагностики заболеваний. Проблема в том, что обычные материалы для таких датчиков плохо справлялись с избирательностью (способностью точно отличать один запах от другого), скоростью отклика и требовали особых условий работы.
Материал, который берет пример из природы
Ключевым решением команда считает металл-органические каркасы, или МОК — это пористые материалы, которые получают, соединяя ионы металлов с органическими соединениями. Благодаря микроскопическим порам такие структуры отлично поглощают молекулы запаха, а их строение и химические свойства можно точно настраивать под конкретную задачу. Именно поэтому МОК рассматривают как материал сенсоров нового поколения — они способны улавливать самые разные запахи даже при комнатной температуре и минимальном расходе энергии.
Что особенно интересно, авторы объясняют принцип работы электронного носа, опираясь на устройство человеческого обоняния. У человека относительно немного типов обонятельных рецепторов, но мы все равно различаем огромное количество запахов — потому что одна и та же молекула запаха одновременно активирует сразу несколько рецепторов, создавая уникальную комбинацию сигналов. Ученые называют этот принцип «комбинаторным кодированием» и, опираясь именно на него, предложили целый набор МОК-датчиков с разными характеристиками отклика вместе со стратегией анализа сигналов на основе ИИ.
Три типа материалов и искусственный интеллект
Команда разделила МОК-технологии электронного носа на три группы. Сами МОК служат базовой платформой благодаря пористости и структуре каркаса, которую можно настраивать под задачу. МОК-композиты — материалы, где МОК сочетают с другими веществами, — повышают чувствительность и стабильность датчика. А МОК-производные, полученные путем химической обработки исходных каркасов, улучшают избирательность к нужным запахам. В сочетании с методами машинного и глубокого обучения такие материалы позволяют куда точнее классифицировать и интерпретировать сложные комбинации запахов.
«МОК предоставляют практически неограниченную библиотеку материалов, которые можно спроектировать так, чтобы они по-разному реагировали на разные запахи — во многом подобно тому, как это делают обонятельные рецепторы человека. Значимость этой работы в том, что она соединяет материаловедение и исследования распознавания запахов на основе ИИ, одновременно предлагая дорожную карту для разработки интеллектуальных электронных носов под конкретные задачи», — говорит Квон.
Где такие датчики могут пригодиться
Исследователи рассчитывают, что электронные носы на основе МОК со временем найдут применение в самых разных сферах — в здравоохранении, для диагностики заболеваний, в мониторинге качества воздуха и промышленной безопасности, в «умном» сельском хозяйстве, а также в системах химического восприятия для беспилотных автомобилей и роботов.
