Przełomowe biomimetyczne chipy węchowe wykorzystujące AI do umożliwienia robotom węchu

Rozwój sztucznych czujników węchowych był od dawna wyzwaniem dla badaczy na całym świecie. Tworzenie elektronicznych nosów (e-noses), które mogą skutecznie rozróżniać złożone mieszaniny odorantów, podobnie jak biologiczny system węchowy, okazało się trudne ze względu na problemy z miniaturyzacją i możliwościami rozpoznawania. Jednak zespół badawczy pod kierunkiem prof. FAN Zhiyong z Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) osiągnął znaczący przełom w tej dziedzinie dzięki swoim nowo opracowanym biomimetycznym chipom węchowym (BOC).

Biomimetyczne chipy węchowe (BOC)

Biomimetyczne chipy węchowe, czyli BOC, opracowane przez zespół prof. Fana są przełomowym wynalazkiem w dziedzinie sztucznej detekcji zapachów. Te małe chipy są zaprojektowane tak, aby naśladować sposób, w jaki ludzie i zwierzęta wykrywają zapachy, co sprawia, że są one bardziej dokładne i wydajne niż poprzednie sztuczne systemy węchowe.
Każy BOC zawiera do 10 000 małych czujników gazowych, które są ułożone w sposób bardzo podobny do biologicznego systemu węchowego. Ten unikalny design pozwala chipowi na wykrywanie i rozróżnianie między szerokim zakresem zapachów, nawet gdy są one mieszane w złożonych kombinacjach.
Jedną z kluczowych cech BOC jest zastosowanie specjalnej kompozycji materiałowej, która różni się w różnych częściach chipa. Ten gradientowy design umożliwia integrację wielu różnych typów czujników na jednym chipie, co pozwala na wykrywanie szerokiego zakresu zapachów przy zachowaniu małych rozmiarów chipa.
Czujniki gazowe stosowane w BOC są niezwykle czułe i mogą wykryć nawet najmniejsze ślady różnych gazów i lotnych związków organicznych (VOC). Te czujniki są zbudowane na podłożu z małymi porami, co zapewnia dużą powierzchnię do interakcji z gazami, co zwiększa czułość i czas reakcji chipa.
Połączenie tej zaawansowanej technologii czujników z algorytmami sztucznej inteligencji pozwala BOC na przetwarzanie i interpretowanie danych z czujników gazowych, co umożliwia identyfikację i różnicowanie między różnymi zapachami zgodnie z ich charakterystyką.

Image: HKUST

Pokonywanie wyzwań w sztucznej percepcji węchu

Rozwój sztucznych systemów węchowych był trudnym zadaniem dla badaczy ze względu na kilka kluczowych przeszkód. Jednym z głównych problemów była miniaturyzacja systemu przy zachowaniu jego skuteczności. Tradycyjne e-nosy często wymagają dużego sprzętu, co sprawia, że są one niepraktyczne dla wielu zastosowań. Biomimetyczne chipy węchowe opracowane przez zespół prof. Fana rozwiązują ten problem, integrując dużą liczbę czujników gazowych na jednym, kompaktowym chipie.
Innym znaczącym wyzwaniem w sztucznej percepcji węchu było zwiększenie możliwości rozpoznawania systemu, szczególnie w przypadku złożonych mieszanin zapachów. W rzeczywistych scenariuszach zapachy składają się często z wielu gazów i lotnych związków organicznych, co utrudnia konwencjonalnym e-nosom dokładne identyfikowanie i ilościowanie każdego składnika.
Dzięki wykorzystaniu zaawansowanej nanotechnologii i sztucznej inteligencji biomimetyczne chipy węchowe mogą przetwarzać i interpretować dane z czujników gazowych bardziej efektywnie niż tradycyjne e-nosy. Użycie algorytmów uczenia maszynowego umożliwia BOC naukę z doświadczeń i poprawę zdolności rozpoznawania zapachów w czasie. Ta adaptacyjność sprawia, że BOC jest potężnym narzędziem dla różnych branż, ponieważ może być dostosowany do wykrywania i identyfikacji konkretnych zapachów istotnych dla każdego zastosowania.

Wyjątkowa wydajność i zastosowania

W jednej zgodnej demonstracji badacze zintegrowali chipy węchowe z czujnikami wzrokowymi na robocie psa, tworząc połączony system węchowy i wzrokowy. Ten unikalny układ pozwolił robotowi na dokładne identyfikowanie obiektów w pudełkach bez okien, co pokazuje potencjał integracji BOC z innymi technologiami sensorycznymi w celu stworzenia bardziej zaawansowanych i zdolnych systemów inteligentnych.

Image: HKUST