تستخدم الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية الرائدة الذكاء الاصطناعي لتمكين الروبوتات من الشم

لقد كان تطوير أجهزة استشعار حاسة الشم الاصطناعية تحديًا طويل الأمد للباحثين في جميع أنحاء العالم. لقد ثبت أن إنشاء أنوف إلكترونية (أنوف إلكترونية) يمكنها تمييز مخاليط الروائح المعقدة بشكل فعال، على غرار النظام الشمي البيولوجي، أمر صعب بسبب مشاكل التصغير وقدرات التعرف. ومع ذلك، فريق بحث بقيادة البروفيسور فان زيونغ من جامعة هونغ كونغ للعلوم والتكنولوجيا (HKUST) قامت ب اختراق كبير في هذا المجال من خلال الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية المطورة حديثًا (BOC).

الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية (BOC)

تعد الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية، أو BOCs، التي طورها فريق البروفيسور فان، اختراعًا رائدًا في مجال اكتشاف الرائحة الاصطناعية. تم تصميم هذه الرقائق الصغيرة لتقليد الطريقة التي يكتشف بها البشر والحيوانات الروائح، مما يجعلها أكثر دقة وكفاءة من أنظمة الشم الاصطناعية السابقة.

يحتوي كل BOC على ما يصل إلى 10,000 جهاز استشعار غاز صغير، تم ترتيبها بطريقة تشبه إلى حد كبير النظام البيولوجي الشمي. يسمح هذا التصميم الفريد للرقاقة باكتشاف مجموعة واسعة من الروائح والتمييز بينها، حتى عندما يتم خلطها معًا في مجموعات معقدة.

إحدى الميزات الرئيسية لـ BOC هي استخدامه لتركيبة مواد خاصة تختلف عبر الشريحة. يتيح هذا التصميم المتدرج دمج العديد من أنواع أجهزة الاستشعار المختلفة على شريحة واحدة، مما يجعل من الممكن اكتشاف مجموعة واسعة من الروائح مع الحفاظ على الشريحة صغيرة الحجم ومضغوطة.

تعتبر أجهزة استشعار الغاز المستخدمة في BOC حساسة بشكل لا يصدق ويمكنها اكتشاف حتى أدنى آثار للغازات المختلفة والمركبات العضوية المتطايرة (VOCs). تم بناء هذه المستشعرات على ركيزة ذات مسام صغيرة، مما يوفر مساحة سطحية كبيرة للغازات للتفاعل معها، مما يعزز حساسية الشريحة ووقت الاستجابة.

ومن خلال الجمع بين تقنية الاستشعار المتقدمة هذه وخوارزميات الذكاء الاصطناعي، يمكن لـ BOC معالجة وتفسير البيانات من أجهزة استشعار الغاز، مما يسمح لها بالتعرف على الروائح المختلفة والتمييز بينها بدقة ملحوظة.

التغلب على التحديات في الشم الاصطناعي

كان تطوير أنظمة الشم الاصطناعية مهمة صعبة بالنسبة للباحثين بسبب العديد من العقبات الرئيسية. إحدى الصعوبات الأساسية كانت تصغير النظام مع الحفاظ على فعاليته. غالبًا ما تتطلب الأنوف الإلكترونية التقليدية معدات ضخمة، مما يجعلها غير عملية للعديد من التطبيقات. تعالج الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية التي طورها فريق البروفيسور فان هذه المشكلة من خلال دمج عدد كبير من أجهزة استشعار الغاز في شريحة واحدة مدمجة.

التحدي الكبير الآخر في مجال الشم الاصطناعي هو زيادة قدرات التعرف على النظام، خاصة عند التعامل مع خليط معقد من الروائح. في سيناريوهات العالم الحقيقي، غالبًا ما تتكون الروائح من غازات متعددة ومركبات عضوية متطايرة، مما يجعل من الصعب على الأنوف الإلكترونية التقليدية تحديد كل مكون وقياسه بدقة.

من خلال الاستفادة من تكنولوجيا النانو المتقدمة والذكاء الاصطناعي، يمكن للرقائق الشمية المحاكاة الحيوية معالجة وتفسير البيانات من أجهزة استشعار الغاز بشكل أكثر فعالية من الأنوف الإلكترونية التقليدية. يتيح استخدام خوارزميات التعلم الآلي لـ BOC التعلم من التجارب السابقة وتحسين قدرات التعرف على الرائحة بمرور الوقت. تجعل هذه القدرة على التكيف BOC أداة قوية لمختلف الصناعات، حيث يمكن تصميمها لاكتشاف وتحديد روائح معينة ذات صلة بكل تطبيق.

أداء وتطبيقات استثنائية

وفي أحد العروض البارزة، قام الباحثون بدمج الرقائق الشمية مع أجهزة استشعار الرؤية على كلب آلي، مما أدى إلى إنشاء نظام مشترك بين حاسة الشم والبصر. سمح هذا الإعداد الفريد للروبوت بالتعرف بدقة على الأشياء الموجودة في الصناديق العمياء، مما أظهر إمكانية دمج BOC مع تقنيات الاستشعار الأخرى لإنشاء أنظمة ذكية أكثر تقدمًا وقدرة.

إن تطبيقات الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية واسعة النطاق وتمتد عبر صناعات متعددة. في صناعة الأغذية، يمكن استخدام BOC لمراقبة الجودة، والكشف عن التلف، وضمان سلامة الأغذية. تعد المراقبة البيئية مجالًا رئيسيًا آخر للتطبيق، حيث يمكن استخدام الرقائق للكشف عن الغازات الضارة والملوثات وغيرها من الملوثات المحمولة جواً.

يمكن للمجال الطبي أيضًا الاستفادة من تقنية BOC، حيث يمكن استخدام الرقائق لتشخيص الأمراض عن طريق الكشف عن مركبات عضوية متطايرة محددة (VOCs) في أنفاس المريض أو سوائل الجسم. يمكن أن تؤدي طريقة التشخيص غير الجراحية هذه إلى الكشف المبكر عن الأمراض المختلفة وعلاجها.

في البيئات الصناعية، يمكن استخدام الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية لرصد العمليات والتحكم فيها، مما يضمن سلامة وجودة المنتجات. يمكن للرقائق اكتشاف تسرب الغاز ومراقبة الانبعاثات وتحديد المخاطر المحتملة في الوقت الفعلي، مما يسمح باستجابات سريعة وإجراءات وقائية.

يُظهر الأداء الاستثنائي والتطبيقات واسعة النطاق للرقائق الشمية المحاكاة الحيوية قدرتها على إحداث ثورة في مختلف الصناعات. مع استمرار تقدم التكنولوجيا، من المتوقع أن تجد BOC المزيد من الاستخدامات في مختلف القطاعات، مما يؤدي إلى تحسين السلامة والكفاءة ومراقبة الجودة في العديد من العمليات.