Los olores están a nuestro alrededor y, a menudo, se dispersan rápidamente; en situaciones peligrosas como incendios forestales, por ejemplo, las condiciones del viento alejan rápidamente el humo (y el olor a humo) de su origen. Enviar gente a comprobar zonas de desastre siempre es un riesgo, entonces, ¿qué pasaría si un robotic equipado con una nariz electrónica, o e-nose, pudiera rastrear un peligro “oliéndolo”?
Este concepto motivó un estudio reciente en Avances científicosen el que los investigadores construyeron una nariz electrónica que no solo puede detectar olores a la misma velocidad que el sistema olfativo de un ratón, sino que también distingue entre olores por los patrones específicos que producen con el tiempo al interactuar con el sensor de la nariz electrónica.
“Cuando los olores son arrastrados por un flujo de aire turbulento, se cortan en paquetes más pequeños”, cube Michael Schmukerprofesor de la Universidad de Hertfordshire en el Reino Unido. Schmuker cube que estos paquetes de olores pueden cambiar rápidamente, lo que significa que un sistema eficaz de detección de olores debe ser rápido para detectarlos. Y la forma en que cambian los paquetes (y la frecuencia con la que eso sucede) puede dar pistas sobre qué tan lejos está la fuente del olor.
Cómo funciona la nariz electrónica
La nariz electrónica utiliza sensores de fuel de óxido metálico con una superficie de detección calentada y enfriada entre 150 °C y 400 °C hasta 20 veces por segundo. Las reacciones redox tienen lugar en la superficie de detección cuando entra en contacto directo con un olor.
La nueva nariz electrónica es más pequeña que una tarjeta de crédito, e incluye varios sensores como el de la derecha.Nik Dennler et al.
La nariz electrónica es más pequeña que una tarjeta de crédito, con un consumo de energía de sólo 1,2 a 1,5 vatios (incluido el microprocesador y la lectura USB). Los investigadores construyeron el sistema con componentes disponibles en el mercado, con interfaces digitales diseñadas a medida para permitir que la dinámica del olor se analice con mayor precisión cuando se encuentran con los electrodos calentados que forman la superficie de detección. “Los olores fluyen a nuestro alrededor en el aire y algunos de ellos reaccionan con esa superficie caliente”, cube Schmuker. “La forma en que reaccionan depende de su propia composición química (pueden oxidar o reducir la superficie), pero se produce una reacción química”.
Como resultado, cambia la resistencia de los electrodos de óxido metálico, que se puede medir. La cantidad y la dinámica de este cambio son diferentes para diferentes combinaciones de odorantes y materiales sensores. La nariz electrónica utiliza dos pares de cuatro sensores distintos para construir un patrón de curvas de respuesta de resistencia. Las curvas de respuesta de resistencia ilustran cómo la resistencia de un sensor cambia con el tiempo en respuesta a un estímulo, como un olor. Estas curvas capturan la conversión del sensor de una interacción física, como una molécula de olor unida a su superficie, en una señal eléctrica. Debido a que cada olor genera un patrón de respuesta distinto, analizar cómo evoluciona la señal eléctrica con el tiempo permite identificar olores específicos.
“Descubrimos que cambiar rápidamente la temperatura entre 150 °C y 400 °C aproximadamente 20 veces por segundo producía patrones de datos distintivos que hacían más fácil identificar olores específicos”, cube Nik Dennlerun doble doctorado. estudiante de la Universidad de Hertfordshire y la Universidad de Western Sydney. Al construir una imagen de cómo reacciona el olor a estas diferentes temperaturas, las curvas de respuesta se pueden conectar a un aprendizaje automático Algoritmo para detectar los patrones que se relacionan con un olor específico.
Si bien la nariz electrónica no “huele” como una nariz regular, el ciclo de calentamiento periódico para detectar olores recuerda el olfateo periódico que realizan los mamíferos.
Uso de la nariz electrónica en la gestión de desastres
Un descubrimiento realizado en 2021 por investigadores del Instituto Francis Crick de Londres y del College Faculty de Londres demostró que los ratones pueden discriminar las fluctuaciones del olor hasta 40 veces por segundo, contrariamente a la creencia arraigada de que los mamíferos necesitan uno o varios olfateos para obtener información significativa sobre el olor.
En el nuevo trabajo, realizado en parte por los mismos investigadores detrás del descubrimiento de 2021, los investigadores descubrieron que la nariz electrónica puede detectar olores tan rápido como un ratón, con la capacidad de resolver y decodificar fluctuaciones de olor hasta 60 veces por segundo. . Actualmente, la nariz electrónica puede diferenciar entre 5 olores diferentes cuando se presenta individualmente o en una mezcla de dos olores. La nariz electrónica podría detectar olores adicionales si está entrenada para hacerlo.
“Descubrimos que podía identificar olores con precisión en sólo 50 milisegundos y decodificar patrones entre olores que cambian hasta 40 veces por segundo”, cube Dennler. A modo de comparación, investigaciones recientes en humanos sugieren que el umbral para distinguir entre dos olores que se unen a los mismos receptores olfativos es de aproximadamente 60 ms.
La pequeña escala y los moderados requisitos de energía podrían permitir que la nariz electrónica se implemente en robots utilizados para identificar la fuente de un olor. “Existen otras tecnologías rápidas, pero suelen ser muy voluminosas y se necesitaría una batería grande para alimentarlas”, afirma Schmuker. “Podemos colocar nuestro dispositivo en un pequeño robotic y evaluar su uso en aplicaciones para las que hoy en día se utiliza un perro rastreador”.
“Tan pronto como conduces, caminas o vuelas, debes ser muy rápido en la detección”, cube Dennler. “Con nuestra nariz electrónica, podemos capturar información sobre olores a altas velocidades. Las aplicaciones principales podrían implicar tareas de navegación guiadas por olores o, más generalmente, recopilar información sobre olores mientras se está en movimiento”.
Los investigadores están estudiando el uso de estos pequeños robots de nariz electrónica en aplicaciones de gestión de desastres, incluida la localización de incendios forestales y fugas de fuel, y la búsqueda de personas enterradas entre escombros después de un terremoto.
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