Парфюмер и дегустатор

(Март 2002)

Electronic_Nose

Пять наших органов чувств можно разделить на две весьма неравноценные группы. В одну входят зрение, слух и осязание, не только обеспечивающие человеку львиную долю всей информации об окружающем мире, но и достаточно глубоко постигнутые в своих физических механизмах.

К другой же группе принадлежат обоняние и вкус, иначе именуемые органами химических чувств, исследовать природу которых с надлежащей научной тщательностью не удавалось очень долго.

Своеобразным отражением этой ситуации является и персональный компьютер, наряду с органами осязания (клавиатура, мышь) уже давным-давно имеющий собственные “глаза” и “уши”, но так и не обретший пока что ни “носа”, ни “языка”. За последние годы, правда, столь заметный дисбаланс в чувствительности компьютеров начал выправляться.

Как показывают результаты исследований живых организмов, система обоняния, позволяющая ощущать и распознавать запахи, является одной из самых древних и жизненно важных частей нервной системы и мозга. Для большинства животных восприимчивость к запахам является главным способом коммуникаций и механизмом влияния на важнейшие функции, включая воспроизводство и питание.

При этом ученые лишь в последнее десятилетие начали вникать в тонкости функционирования обоняния и близкой к нему вкусовой системы, так что по сию пору здесь имеется значительное количество далеких от ясности моментов. Особо остро эти проблемы ощущаются при сравнении с органами зрения или слуха, изученными куда более досконально.

Причина воистину гигантской разницы в уровне нашего постижения собственных органов восприятия вполне понятна. В основе чувствительности организма к запахам или вкусам лежат очень тонкие химические и биомолекулярные взаимодействия, вплоть до недавнего времени не поддававшиеся аналитически технологиям науки.

Это, конечно, не помешало ученым начиная примерно с середины 1930-х годов создать более десятка правдоподобных теорий и концептуальных моделей, пытающихся объяснить механизмы воздействия на организм пахучих молекул. Ни одна из этих теорий пока что не признана единственно верной, но и имеющегося уровня знаний ученым и инженерам-разработчикам достаточно для создания химических сенсоров и электронных устройств, воспроизводящих некоторые существенные свойства обонятельного и вкусового восприятия.

Причем в настоящее время многие технические университеты, исследовательские центры и компании работают в этой области крайне интенсивно, поскольку в создании искусственных органов, с помощью электроники наращивающих наши сенсорные возможности, видится огромный коммерческий потенциал.

Как это делается?

В самых общих чертах система обоняния человека выглядит следующим образом. Нос содержит специальные нервные клетки-сенсоры или нейроны, имеющие на одном из концов тонкое, похожее на волосок волокно, именуемое ресничкой. Каждый нейрон подсоединен нервным волокном-аксоном к обонятельной луковице, образованию в мозге, расположенному непосредственно над носом.

В распознавании запахов участвует сложная система взаимосвязанных рецепторов и нейронов, которые переносят сигналы о взаимодействиях с молекулами пахучего вещества в лимбическую систему мозга. Структура (паттерн) этих сигналов распознается и интерпретируется мозгом на основе предшествовавшего обучения.

Большинство животных обладает способностями к различению тысяч запахов. Уже достаточно давно установлено, что на разные запахи реагируют различные обонятельные нейроны, и что разные запахи порождают весьма различные, специфические сценарии активности в обонятельной луковице.

Похожим образом работает и “электронный нос”. Для подражания функционированию белковых рецепторов носа настоящего используется массив химических сенсоров. Каждый из таких сенсоров специально изготовлен для различной реакции на разные ароматы. Сигналы от сенсоров усиливаются с помощью электронных схем и поступают в микропроцессор или компьютер.

Иными словами, электроника заменяет нейроны в обонятельной лимбической системе, а компьютер выполняет роль мозга. Сложной структуры сигналы, поступающие в компьютер, интерпретируются специальным программным обеспечением для распознавания образов, которое имитирует работу человеческой памяти.

Например, у человека нет специального рецептора для распознавания, скажем, запаха швейцарского сыра. Но когда мы принюхиваемся к аромату такого сыра, его пахучие молекулы приводят к стимуляции многочисленных рецепторов в нашем носе, что в свою очередь вызывает реакцию обонятельных нейронов лимбической системы, которые посылают в мозг сложный паттерн- “отпечаток”, характеризующий аромат.

Если прежде мы уже были знакомы с запахом швейцарского сыра, а в нашей памяти сохранился его “отпечаток”, то с идентификацией продукта нет никаких проблем. Если же мы сталкиваемся с запахом впервые, то мозг должен приучиться к новому отпечатку, чтобы узнавать его в будущем.

А нюх как у собаки

В американской компании Cyrano Sciences (свое название позаимствовавшей у Сирано де Бержерака, носастого литературного героя Эдмона Ростана) занимаются коммерциализацией “электронного носа”, разработанного в Калифорнийском технологическом институте. Данная технология строится на основе линейки сенсоров, каждый из которых состоит из полимеров, наполненных проводящими частицами.

Когда такие сенсоры вступают в контакт с парами пахучего вещества, полимер расширяется, за счет чего изменяется сопротивление сложносоставного материала. Эта перемена в сопротивлении передается в компьютер, а на основе реакции всех сенсоров массива выстраивается структурный паттерн-отпечаток, по которому определяется тип, качество или концентрация исследуемого запаха.

Подобного рода информация весьма полезна в широкой области индустриального применения, включая химическое производство, транспорт, медицину, нефте- и газодобычу, пищевую промышленность и парфюмерию.

Одно из специфических и весьма интересных приложений технологии — это ненавязчивая медицинская диагностика. Как известно, задолго до изобретения сложного медицинского оборудования запах тела, дыхания и жизневыделений пациента был весьма широко распространенным диагностическим инструментом в небогатом арсенале лекарей прошлого.

Строго говоря, характерные запахи и по сию пору используются в качестве вторичных признаков при выявлении ряда болезней, однако отсутствие надежных и объективных инструментов для анализа запаха препятствует широкому распространению этой методики в современной медицине. С появлением же надежных электронных носов появляются шансы на возрождение этого древнего и привлекательного своей ненавязчивостью способа диагностики.

Еще одно чрезвычайно перспективное направление для внедрения электронных носов — это такие области, где для идентификации того или иного конкретного запаха используют людей-экспертов или специально натренированных собак. Например, достаточно широко известно, что собак часто применяют в аэропортах для выявления взрывчатых веществ или контрабандной сельскохозяйственной продукции.

Если же говорить о военном применении, то сейчас созданы чрезвычайно эффективные электронные носы для обнаружения признаков взрывчатки в воде и в воздухе, для поиска мин на местности или в море.

Дезодоранты, мыла, парфюмерия и вина — все это лишь часть бытовых продуктов, разрабатываемых с помощью чувствительных носов экспертов-парфюмеров. Но человек есть человек, и острота его обоняния существенно зависит от усталости, болезни и даже эмоционального состояния. Сейчас интенсивно ведутся работы по замене или дополнению людей электронными носами. Такой инструмент оказывается бесспорно полезен не только при разработке новых продуктов, но также и для постоянного автоматизированного контроля за качеством продукции в процессе производства.

И со вкусом все в порядке

На основе полупроводниковых технологий уже успешно создаются и искусственные органы вкуса. Так, используя химические сенсоры и кремниевые чипы исследователи Техасского университета в г. Остин разработали “электронный язык”, имитирующий работу языка настоящего.

Прибор демонстрирует потенциал к тому, чтобы однажды, подобно своему природному двойнику, начать уверенно ориентироваться в огромной массе тончайших вкусовых ощущений, используя комбинацию из четырех базовых элементов вкуса: сладкого, кислого, соленого и горького. Причем в некоторых отношениях электронный язык, можно сказать, уже превзошел природу-мать, поскольку одновременно обладает и способностями к анализу химического состава вещества.

Электронный язык, разработанный в Техасском университете, появился на свет благодаря удачному союзу четырех весьма разноплановых специалистов. Инженер-компьютерщик Дин Нейкирк и химик Джон Макдевит поначалу создали сенсор на запах йода, но при развитии разработки вскоре столкнулись с серьезной проблемой — многие химикаты не испаряют пахучих молекул.

Поэтому к исследованию привлекли химика Эрика Энслина, специализирующегося на изучении вкусовых функций языка и применяющего полимерные микрошарики для синтеза ДНК и ее белков. Четыре хорошо известных химических сенсора добавили в микрошарики Энслина, после чего эти шарики по одному поместили в матрицу микромашинных скважин на кремниевой пластине (разработка Нейкирка).

Массив таких скважин имитирует язык человека, где во множестве углублений находятся химические рецепторы, именуемые вкусовыми луковицами. Микрошарик в каждой скважине, подобно рецепторам языка, имеет сенсор, реагирующий на специфический химикат изменением своего цвета.

К примеру, один из шариков, имеющий при обычных условиях пурпурный цвет, становится желтым в ответ на повышенную кислотность среды. После воздействия анализируемого вещества на массив сенсоров результат считывается с помощью размещенной на чипе матрицы цифровой камеры, которая подсоединена к компьютеру.

На вещества с различным вкусом сенсоры реагируют разнообразными комбинациями четырех искусственных вкусовых элементов, формируя уникальные сочетания красной, зеленой и синей цветообразующих компонент. Это позволяет устройству анализировать вещество на присутствие нескольких различных химических составляющих одновременно. Так что на этапе анализа группа из трех разработчиков привлекла четвертого соавтора, химика Джейсона Шира, специализирующегося на фотохимии красителей.

Данному устройству, в перспективе обещающему размещать сотни химических микросенсоров на одной кремниевой подложке, уже найдено множество всевозможных применений. Пищевая промышленность, к примеру, весьма заинтересовалась разработкой прибора, с помощью которого можно было бы быстро и надежно тестировать новые пищевые продукты и напитки, сравнивая их вкус с базой данных о накопленных вкусах, уже доказавших свою популярность среди потребителей.

Кроме того, искусственный язык можно с успехом применять и в других, менее “вкусных” целях. Например, для анализа уровня холестерина в крови, кокаина в моче, или болезнетворных токсинов в воде. Национальные службы здравоохранения технологически развитых стран выделяют сейчас солидные суммы денег на разработку электронных языков, способных всего лишь одним быстрым тестом “на вкус” заменить целое множество достаточно трудоемких тестов, проводимых над образцами крови и мочи.

Большой интерес проявляет к технологии и индустрия туризма вкупе с организациями защиты окружающей среды, которые сильно заинтересованы в небольших карманных мониторах, отслеживающих состояние воздуха и воды. Самое главное для успеха технологии — это сделать подобные детекторы вкуса компактными и недорогими.

Значительного успеха добились здесь бразильские разработчики из компании EMBRAPA Instrumentacao Agropecuaria (г. Сан-Карлос), создавшие собственный “электронный язык”, умещающийся на ладони и демонстрирующий редкостную вкусовую чувствительность. Этот прибор без труда, к примеру, различает сорт вина урожая одного года, но с разных виноградников, или же вино с одного виноградника, но разных годов изготовления. А уж уровень чистоты воды и присутствие молекул сахара или соли искусственный язык выявляет в столь тонких концентрациях, что, как правило, недоступны восприятию наших органов.

Бразильский электронный язык тоже построен на четырех химических сенсорах, реагирующих на четыре базовых вкуса. Но сенсоры здесь состоят из очень тонких пленок на основе трех полимеров и небольших молекул, содержащих ионы рутения. Эти материалы расположены на поверхности золотых электродов, подсоединенных к электронной схеме.

Для определения того, насколько сладким, горьким или кислым является вкус тестируемого продукта, тонкие пленки сенсора абсорбируют молекулы растворенного вещества. В результате емкостное сопротивление электрода изменяется, а величина этого изменения поддается точному измерению.

Каждый из сенсоров по-иному реагирует на различные вкусы. Комбинированный сенсор сводит в единую систему все четыре датчика и генерирует электронный отпечаток вкуса. Для удобства классификации таких отпечатков разработчики свели реакции всех сенсоров к местоположению одной точки на графике.

Присутствие сладкой компоненты, к примеру, смещает точку к верхней левой вершине дисплея, кислой компоненты — к верхней правой вершине, горький или соленый привкус смещает точку в нижнюю область, и т.д..

При этом такие, казалось бы, малоразличимые для человеческого языка вкусы, как, скажем, дистиллированная и родниковая вода, оказываются на графике существенно разнесенными и легко различимыми. Человек, освоивший работу с прибором, без особого труда может предсказывать примерный вкус тестируемого продукта уже по одному местоположению точки на графике.

В целом же компьютерное моделирование химических органов чувств человека переживает в настоящее время эпоху мощного расцвета.
Для более подробного знакомства с многочисленными разработками в области создания электронных “носов и языков” можно порекомендовать такую стартовую площадку в Интернете: «Интегральные химические сенсоры» (язык только английский, к сожалению).

* * *