Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Strojové vnímání vůní a zápachů

Automa 1/2000

(Bk)

Strojové vnímání vůní a zápachů

Pro detekci a klasifikaci vůní a zápachů bylo vyvinuto zařízení, které se nazývá elektronický nos (electronic nose). Tak jako má lidský nebo zvířecí čichový orgán smyslové buňky na sliznici čichového orgánu a příslušné nervové centrum v mozku, je i elektronický nos kombinací chemických senzorů a systému, který signál senzoru srovnává se vzorovým signálem.

Vývojem elektronických nosů se zabývá (kromě jiných ústavů) také Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) v Richlandu, USA. Jejich zařízení jsou určena především pro identifikaci těkavých chemikálií a používají se v  medicíně a v technice životního prostředí.

Biologický nos
Lidský čichový orgán se skládá ze dvou základních částí: čichových buněk v nosní sliznici a čichového centra v mozku. Molekuly detekované chemické látky se nejprve musejí dostat na nosní sliznici. Sliznice s čichovými buňkami je na počátku dýchacích cest a dech zajišťuje její neustálé ofukování analyzovaným vzduchem. Tvar nosní dutiny způsobuje, že proudění v nose je turbulentní. Vzduch se v nosní dutině promíchává a vyrovnávají se koncentrace příměsí v něm. Přes vrstvu hlenu, která působí jako filtr, se detekovaná chemikálie dostává k čichovým buňkám. Zde musí molekula chemikálie prostoupit membránou receptoru. K tomu slouží přenašeče bílkovinné povahy. Je jich několik druhů a každý má schopnost vázat jen některé molekuly. Přítomností přenašečů na membráně receptoru je dána citlivost receptoru k určité chemické látce. Molekula, která pronikne do receptoru, vyvolá jeho podráždění. Signál o druhu a úrovni podráždění je nervovými vlákny veden do čichového centra v mozku. Zde je teprve čichový vjem vyhodnocován. Vyhodnocení vjemu je poměrně složitý proces: přenesený signál musí být porovnán s tím, co již má člověk uloženo v paměti, aby byl nejen schopen říci, zda je mu vůně příjemná, ale také, co právě cítí nebo které ze známých vůní je to, co cítí, nejvíce podobné.

Poslední, ale také důležitou fází detekce vůně či zápachu je očištění receptorů. To zajišťuje výdech, který odfukuje z nosní dutiny zbytky vdechnutého vzduchu.

Obr. 1.

Elektronický nos
Elektronický nos musí plnit všechny funkce jako biologický nos: stejně tak jako u biologického nosu musí být zajištěn přívod vzduchu na receptory, přenos signálu z receptorů do modulu zpracování signálu, signál musí být porovnán se zapamatovaným vzorem a po vyhodnocení musejí být receptory očištěny od zbytků analyzované látky, aby byly připraveny k další činnosti. Schéma elektronického nosu realizovaného v PNNL je na obr. 1. Analyzovaným vzduchem je ofukováno senzorové pole. Senzorové pole je tvořeno devíti senzory na bázi oxidu cínu typu Taguchi TGS (dodavatel: Figaro, Co. Ltd.). Senzor 10 je senzor vlhkosti, senzory 11 a 12 jsou senzory teploty. Signály senzorů jsou digitalizovány a zavedeny do počítače, kde je analyzuje softwarově vytvořená neuronová síť. Tato síť identifikuje chemickou látku, která je ve vzduchu obsažena (obr. 2).

Receptory vůní a zápachů
Jako receptory chemických látek se nejčastěji používají tyto senzory:

Senzory s polovodiči na bázi oxidů kovů (např. oxidů cínu). Molekuly analyzované látky vyvolávají v tenkém oxidovém filmu oxidačně-redukční chemickou reakci, která se projeví změnou vodivosti senzoru. Před další analýzou musí dojít ke zpětné reakci. Aby tato reakce proběhla, je třeba senzor ohřát.

Senzory s vodivými polymery. Jejich funkce je obdobná jako u senzorů s polovodiči na bázi oxidů kovů, mají větší citlivost, ale jsou více ovlivňovány vzdušnou vlhkostí.

Piezoelektrické senzory. Tyto senzory využívají změny vlastní frekvence piezoeletrického krystalu, na jehož povrch se navázala určité chemická látka. Změny frekvence jsou vyhodnocovány vyhodnocovací elektronikou. Složitost a vysoká cena elektronické části jsou hlavní nevýhodou piezoelektrických senzorů, jejich citlivost, selektivita, stabilita, rozsah pracovních teplot i odolnost vůči vlhkosti jsou ale lepší než u ostatních senzorů.

Tranzistory s chemickým senzorem (ChemFET). Zesílení těchto tranzistorů je závislé na tom, jaká látka je absorbována na řídicí elektrodě. Výhodou tranzistorů ChemFET je to, že je lze snadno integrovat do elektronických obvodů. Rychlost odezvy je ovšem nižší než u jiných senzorů, protože analyzovaná látka musí proniknout do povrchové vrstvy elektrody. Podstatnou nevýhodou je také to, že okruh výrobců těchto tranzistorů je velmi úzký.

Receptory s vláknovou optikou. Tyto receptory využívají fluorescence, k níž dochází při reakci fluorescenční látky nanesené na optickém vláknu s analyzovanou látkou.

Neselektivní receptory. Elektronické nosy mohou využívat i neselektivní receptory (spektrometr, plynový chromatograf apod.). Informaci o analyzované látce nedostáváme v tomto případě z toho, který receptor z matice receptorů s různou citlivostí a selektivitou je aktivován, ale z tvaru výstupního signálu senzoru.

Obr. 2.

Co je to umělá neuronová síť?
V umělém nose se signál nejčastěji zpracovává umělou neuronovou sítí. Klíčovým znakem neuronové sítě je struktura systému, který se skládá z velkého počtu vzájemně propojených prvků (neuronů), jež současně pracují na řešení zadaného problému. Důležité jsou vazby mezi neurony, které jsou obdobou synapsí v biologických nervových systémech.

Umělé neuronové sítě se musejí, stejně jako lidé, nejdříve učit. Neuronová síť se může naučit rozlišovat vůně stejným postupem jako člověk: podle předložených vzorů přiřazuje k vůni název identifikované látky. V biologických systémech dochází při učení k aktivaci synapsí. Podobně je tomu u neuronových sítí: spojům mezi neurony se přiřazuje určitá významnost, váha.

Umělá neuronová síť má ve srovnání s biologickým systémem některé nesporné přednosti: neunavuje se, výsledky práce nejsou závislé na pracovních podmínkách ani emočním stavu.

Existují i jiné metody zpracování signálu elektronického nosu. Někteří výrobci používají např. statistické metody vyhodnocení, případně kombinací neuronových sítí, fuzzy logiky a statistického přístupu. Významných pokroků se v současné době dosahuje při aplikaci neuromorfního přístupu. Tento přístup „kopíruje“ biologické řešení ještě těsněji než pouhé neuronové sítě. Podstatou tohoto přístupu je, že signál je již v receptorech upraven a připraven ke zpracování. Například již v receptorech je omezován signál zápachu, který působí dlouhodobě – tak, jako si na zápach po určité době zvykne člověk, zvyká si i elektronický nos (analogií ve zpracování obrazu je přizpůsobení citlivosti fotocitlivých prvků jasu snímané scény). Aktuálním problémem je, zda používat selektivní chemické receptory (každé složce vůně odpovídá aktivace jednoho receptoru) nebo zda naopak používat neselektivní receptory (vyhodnocuje se průběh a úroveň signálu z receptoru). Experimentuje se s oběma přístupy i jejich kombinacemi. Intenzivní výzkumné práce v tomto směru v současnosti probíhají např. na univerzitě v Leicesteru (Velká Británie) nebo na univerzitě Caltech v Coloradu v USA. Zdá se, že tento přístup dovolí zkonstruovat elektronické nosy s rychlejší časovou odezvou a lepší reakcí na změny koncentrace látek v prostředí.

Monitorování životního prostředí
Pacific Northwest National Laboratory vyvíjí senzory pro monitorování životního prostředí a odpadové hospodářství. Cílem je vyvinout spolehlivé, dostatečně přesné, ale přitom cenově přijatelné snímače. Toto úsilí zahrnuje také vývoj přenosných a levných systémů, schopných v reálném čase identifikovat druh znečišťující látky v prostředí. Monitorovací systémy lze používat např. v těchto oblastech:

  • identifikace toxických zplodin,
  • analýza palivových směsí,
  • detekce úniku oleje,
  • identifikace zápachu v domácnostech,
  • sledování kvality ovzduší,
  • rozbor průmyslových emisí,
  • testování zápachu povrchových vod.
Zajímavou aplikací v praxi bylo použití elektronického nosu systému AromaScan pro sledování kvality vzduchu v ruské orbitální stanici MIR.

Aplikace v medicíně
Elektronický umělý nos může sloužit jako diagnostická pomůcka v medicíně. Může analyzovat tělesné pachy (dech, zápach zranění, tělesné tekutiny atd.) a identifikovat případné problémy. Například zápach dechu může být známkou gastrointestinálních problémů, infekce ústní dutiny nebo dýchacích cest, diabetu, jaterních problémů a některých dalších onemocnění. Pachy tělesných tekutin (krve, moči) mohou lékaři prozradit, že pacient má jaterní problémy nebo problémy v močových cestách. Infikované rány charakteristickým způsobem zapáchají. Elektronický nos může tyto zápachy objektivně analyzovat. Elektronický nos schopný zachytit již počátek infekce rány je ve zkušebním provozu v univerzitní nemocnici South Manchester ve Velké Británii. Na univerzitě v Pensylvánii zkoušejí anylyzovat podle zápachu dechu různé druhy bakteriálních onemocnění dýchacích cest, na univerzitě Ohio State University zkoušejí rozpoznávat podle zápachu kultury střevních bakterií.

Aplikace v potravinářství
V oblasti potravinářství je velké množství příležitostí, v nichž lze elektronický nos s výhodou uplatnit. V některých případech může doplnit nebo nahradit člověka při kontrole jakosti výrobků. V jiných případech může nahradit postupy analytické chemie. Možností aplikací je bezpočet, uvádíme alespoň ty, které již byly vyzkoušeny:

  • kontrola vůně potravin,
  • třídění potravin podle vůně,
  • kontrola rybích výrobků,
  • kontrola fermentace,
  • kontrola žluknutí majonéz,
  • monitorování zrání sýrů,
  • kontrola džusů, zda jsou skutečně vyrobeny z přírodních ovocných surovin,
  • kontrola tanků v pivovarech,
  • kontrola neprodyšnosti obalů velmi aromatických potravin,
  • třídění whisky.

V současné době je ve světě patnáct výrobců elektronických nosů, převážně v USA a v Německu. V Česku jsem nevypátral nikoho, kdo by se touto problematikou zabýval, ať už jako výrobce nebo výzkumný pracovník. Přehled výrobců se základními údaji i s odkazy na jejich webové stránky je k dispozici na našem webu. Kdyby měl někdo z našich čtenářů o tuto problematiku zájem, rád mu poskytnu bližší údaje.

Literatura:

[1] KELLER, P. E. – KOUZES, R. T. – KANGAS, L. J. – HASHEM, S.: Transmission of Olfactory Information for Telemedicine. Interactive Technology and the New Paradigm for Healthcare, (Ed. s.). IOS Press and Ohmsha, Amsterdam 1995. Kap. 27, s. 168-172.

[2] KELLER, P. E.: Electronic/Artificial Noses. Technology Brief. PNL-SA-26873. Pacific Northwest National Laboratory, Richland, Washington 1998.

[3] KELLER, P. E.: Overview of Electronic Nose Algorithms. Příspěvek na konferenci IJCNN ’99 ve Washingtonu, 1999. Nepublikováno, interní materiál Pacific Northwest National Laboratory, Battelle Memorial Institute, Richland,1999.

[4] KELLER, P. E.: Physiologically Inspired Pattern Recognition for Electronic Noses. SPIE Applications and Science of Computation Intelligence II, Proceedings of the SPIE, svazek 3722, 1999, č. 13, s. 144-153.