7 نوامبر 2024 – نوشته نیک دنلر، مکالمه-بوها و جریان هوا بر روی بینی الکترونیکی که می تواند به سرعت تغییرات را حس کند. اعتبار: اقتباس شده از Science Advances (2024). DOI:
رباتی را تصور کنید که می تواند بوهای موجود در هوا را تشخیص دهد و منابع آنها را به همان اندازه یک سگ یا موش ردیابی کند. در صورت تحقق، می‌تواند آتش‌سوزی‌های کوچک جنگلی را در جنگل‌های انبوه شناسایی کند، افرادی را که پس از زلزله در آوار مدفون شده‌اند پیدا کند یا حتی به دنبال ترافل بگردد.
تیم تحقیقاتی ما با ایجاد یک بینی الکترونیکی فشرده که قادر به شناسایی بوها در عرض میلی ثانیه است، این دیدگاه را یک قدم به واقعیت نزدیکتر کرده است.در مطالعه ما، هدف این بود که این حس بویایی مصنوعی را کشف کنیم و آزمایش کنیم که با چه سرعتی می توانیم اطلاعات ارزشمندی در مورد محیط از هوا استخراج کنیم. ما نشان می‌دهیم که «سرعت بویایی» با پستانداران مطابقت دارد و گاهی حتی از آن فراتر می‌رود.
مطالعه ما اکنون در Science Advances منتشر شده است.
حیوانات بوها را به سرعت باورنکردنی درک می کنند و این توانایی طی میلیون ها سال تکامل یافته است تا شانس بقای آنها را بهینه کند. اما چرا چنین سرعتی لازم است؟
پاسخ در ماهیت پیچیده نحوه حرکت بوها در هوا نهفته است. برخلاف آنچه ممکن است فکر کنید، بوها فقط با دور شدن از منبع آنها به جایی که آنها شناسایی می شوند، به طور پیوسته ضعیف تر نمی شوند.
در عوض، حرکات هوا یک محیط بسیار آشفته را ایجاد می کند که در آن بوها در ستون های نامنظم پخش می شوند که می توانند بسیار کوتاه و در طول زمان فاصله داشته باشند. این ستون‌ها با ترکیبی از دینامیک هوای آشفته در مقیاس کوچک و بزرگ، از جمله برش باد و انتشار مولکولی، و همچنین با شرایط مرزی محیطی شکل می‌گیرند.
درک این پرهای بو برای حیوانات بسیار مهم است. هر برخورد کوتاه با یک بو می تواند حاوی اطلاعات ارزشمندی باشد.به عنوان مثال، با تجزیه و تحلیل زمان و دفعات این بوها، یک حیوان می تواند تخمین بزند که چقدر از منبع فاصله دارد. اگر حیوان متوجه شود که دو بو مختلف همیشه با هم ظاهر می شوند، می تواند به این معنی باشد که منابع آنها در مجاورت یکدیگر قرار دارند. تغییرات در غلظت این ترکیدن‌ها همچنین می‌تواند به اندازه و انتشار توده بو اشاره کند.
این سرنخ‌های ظریف به حیوانات کمک می‌کند در مورد مکان یافتن غذا، اجتناب از شکارچیان یا جفت‌گیری سریع‌تر تصمیم بگیرند. اما برای باز کردن این اطلاعات، سیستم حسی و عصبی آنها باید به اندازه کافی سریع باشد تا این تغییرات سریع در چشم انداز بو را بگیرد و پردازش کند.
سرعت بویایی در حیوانات و ماشین ها
سرعتی که حیوانات می توانند بوها را تشخیص دهند و نسبت به آن واکنش نشان دهند، بسته به گونه متفاوت است. حشراتی مانند ملخ ها و مگس های میوه سیگنال های بویایی را تنها در چند میلی ثانیه پردازش می کنند و به آنها کمک می کند به راحتی وارد محیط خود شده و به محیط خود واکنش نشان دهند. پشه ها می توانند فوران های کوچک دی اکسید کربن را به مدت 30 میلی ثانیه تشخیص دهند، به همین دلیل است که شما را به راحتی در شب پیدا می کنند.
زمانی تصور می شد که پستانداران بوی را آهسته تر تشخیص می دهند، اما مطالعات اخیر خلاف این را نشان داده است. یک مطالعه برجسته در سال 2021 نشان داد که موش ها می توانند بوها را از منابع مختلط و مجزا در چند میلی ثانیه تشخیص دهند. مقاله‌ای که ماه گذشته منتشر شد نشان داد که حتی انسان‌ها می‌توانند بین رایحه‌های مختلف که تنها با فاصله 60 میلی‌ثانیه پخش می‌شوند، تمایز قائل شوند.
در حالی که حسگرهای بو سریع وجود دارند – دستگاه هایی مانند آشکارسازهای یونیزاسیون عکس – آنها بسیار حجیم، تشنه انرژی هستند و اغلب به اندازه کافی انتخابی برای استفاده در روبات ها نیستند. دستگاهی که ما توسعه دادیم اکنون این شکاف را پر می کند.
ما متوجه شدیم که می تواند بوها را در فوران های کوتاه 50 میلی ثانیه به دقت شناسایی کند. حتی بیشتر، می‌تواند الگوهای بین بوها را که تا ۴۰ بار در ثانیه تغییر می‌کنند رمزگشایی کند، که مشابه کاری است که موش‌ها هنگام انجام وظایف جداسازی منبع انجام می‌دهند. این بدان معناست که دستگاه ما می‌تواند با سرعتی که با حیوانات همخوانی دارد «بو» کند.
چگونه این کار را انجام دادیم؟
دماغ الکترونیکی ما روی یک برد مدار چند لایه ساخته شده است که کمی کوچکتر از کارت اعتباری است. این دستگاه به چندین سنسور گاز اکسید فلز و همچنین سنسورهای دما و رطوبت مجهز شده است.
چیزی که دستگاه ما را از سایرین متمایز می کند، استفاده از وسایل الکترونیکی پیشرفته است که می تواند این حسگرها را بسیار سریع و دقیق نمونه برداری و کنترل کند، همچنین الگوریتم ها و روش های پردازش سفارشی طراحی شده است.
حسگرها با تغییر خواص الکتریکی خود بر اساس نحوه واکنش گازهای مختلف با یک لایه اکسید روی سطح کار می کنند. بخش مهمی از پاسخگو بودن حسگرها، گرم کردن مکان های حساس کوچک تا چند صد درجه است.
در هوای متلاطم، دمای حسگر تمایل به نوسان دارد، که تشخیص و شناسایی بو را دشوارتر می‌کند. با اندازه‌گیری و تنظیم مجدد دما با دقت بالا، به پاسخ حسگر بسیار حساسی دست یافتیم که می‌توانست تغییرات جزئی و سریع را در بوها تشخیص دهد.
ما همچنین کشف کردیم که تغییر سریع دما بین 150 درجه سانتیگراد و 400 درجه سانتیگراد، حدود 20 بار در ثانیه، الگوهای داده‌ای سریع و متمایز ایجاد می‌کند که تشخیص بوهای خاص را آسان‌تر می‌کند. این رویکرد به دستگاه ما اجازه داد تا بوها را با سرعت و دقت قابل توجهی شناسایی کنید.
کاربردها و تاثیر
تجهیز ربات‌ها به حسگرهای بو سریع به آنها اجازه می‌دهد تا نشانه‌های محیطی را در زمان واقعی شناسایی کرده و به آنها واکنش نشان دهند. این امر ناوبری و تصمیم گیری کارآمدتر را در سناریوهای چالش برانگیز امکان پذیر می کند و درها را برای بسیاری از برنامه های امیدوارکننده باز می کند.
برای مثال، تشخیص زودهنگام آتش‌سوزی‌های جنگلی می‌تواند باعث صرفه‌جویی در انتشار دی اکسید کربن شود. روش‌های تشخیص مرسوم مانند ماهواره‌ها و هواپیماها تنها زمانی آتش‌ها را شناسایی می‌کنند که به اندازه قابل توجهی برسند. آتش سوزی در زیر سایه بان جنگل یا پشت ابرها را می توان به طور کامل از دست داد.
پهپادهای مجهز به دماغه‌های الکترونیکی سریع می‌توانند با گشت‌زنی در جنگل‌ها، شناسایی توده‌های کوچک دود و سپس حرکت به سمت و محلی‌سازی منبع، این وضعیت را تغییر دهند. با این کار، می توان مناطق وسیعی را به طور موثر پوشش داد و آتش سوزی را قبل از اینکه خارج از کنترل شود، شناسایی کرد.
یکی دیگر از کاربردهای حیاتی ممکن است در واکنش به بلایا یافت شود. پس از زلزله یا فروریختن ساختمان، یافتن سریع بازماندگان بسیار مهم است.
ربات‌های بویایی مجهز به بینی‌های الکترونیکی سریع می‌توانند با تشخیص عطرهای منحصربه‌فرد انسان‌هایی که در زیر زباله‌ها به دام افتاده‌اند، نقش نجات‌بخشی داشته باشند. این روبات‌ها با اسکن سریع در محیط‌های پیچیده و شناسایی آثار بوی انسان، می‌توانند تیم‌های نجات را سریع‌تر از روش‌های سنتی به قربانیان هدایت کنند و شانس بقا را افزایش دهند.
