Сырова С. Кто останется с носом? // Приходный ордер. – № 6 – 7. – 2007

Кто останется с носом?

Ученые ТУСУРа разрабатывают устройство, распознающее запахи

Чудесный аромат утреннего кофе, камелий в оранжерее, макушки новорожденного младенца, дорогих духов любимой женщины - лишись всех этих удовольствий, и мир станет беднее. Запахи дают нам ощущение счастья. Но они также могут быть предвестником надвигающейся беды - например, активный запах газа.

На запахах построены целые отрасли промышленности и жизнеобеспечения: достаточно только упомянуть парфюмерию или криминалистику. И потому «электронный нос», который сегодня создается в стенах СКБ «Нейроконтроль» ТУСУРа, может привлечь куда большее внимание, чем разгуливавший по Невскому проспекту нос коллежского асессора Ковалева.

Палитра запаха

Гоголь писал о фантастической ситуации. А ученые ТУСУРа, уже в течение пяти лет занимаясь созданием устройства, способного различать запахи, мыслят вполне реально. Потому как стоящих огромные деньги приборов, способных различать компоненты и выявлять, например, утечку горючих веществ, придумано достаточно много. А вот недорогих устройств, которым подвластен образ запаха в целом, в российской практике практически не существует. Запах же - категория, по которой можно сделать немало полезных выводов.

Для понимания, зачем нужны датчики, о которых мы сегодня подробно рассказываем, и о перспективах их использования приведем весьма жизненный пример. Залили мы бак хорошим бензином, а машина заглохла. Почему? Да оттого, что октановое число может быть высоким, а сам бензин некачественный. Но если оснастить личный автомобиль «электронным носом», то возникает только одна проблема: сесть за руль и уехать от такой заправки куда подальше. Нос «обучен» на эталонной модели, а потом распознает, не разводил ли кто бензином тем самым, за что сидел свой срок «джентльмен удачи» Вася.

Идея прибора основывается на весьма перспективном в научном мире направлении - изучении и использовании нейронных сетей. По своим функциям устройство стремится к схожести восприятия человеческого мозга и напрямую связанного с ним обоняния. Живой нос, вне зависимости от его формы и красоты, весьма сложно скроен. В нем существует 300-400 рецепторов, которые реагируют на составляющие запаха. Но все-таки самое главное начинается в мозгу, куда поступает информация, и где потом происходит процесс обработки. Мозг сам реагирует на знакомый образ, выбирая уже известные аналогии и делая соответствующие выводы.

«Электронный нос» создается по тому же принципу. В конечном итоге, это устройство, способное различать не просто компоненты, а образ запаха в целом.

- Понятие запаха - это соотношение в определенных пропорциях различных компонентов, которые выделяет то или иное вещество, - поясняет научный руководитель СКБ, доктор технических наук, профессор Николай Замятин. - Они, взаимодействуя между собой, не просто складываются, но еще и перемножаются. И как белый цвет образуется из совокупности многих цветов, так же из мультипликативности отдельных компонентов можно получить различную палитру запахов.

Чтобы прийти к созданию прибора, сотрудники СКБ «Нейроконтроль» объединили три своих научных интереса. Нейронные сети, которые обеспечивают распознавание образов, управление, прогнозы - это одна составляющая. Кроме того, здесь довольно давно работают над совершенствованием так называемых первичных преобразователей. В частности, аспирант Евгений Севастьянов готовит по этой теме кандидатскую диссертацию. И потому датчики, которые легли в основу «носа», могут быть разными - основанными на свойствах нагрева полупроводников (эта работа ведется совместно с СФТИ), использовании поверхностных акустических волн. Они преобразуют сигналы, которые поступают на нейронную сеть, а она, на основе уже обученной информации, определяет тот или иной запах. Третья составляющая - это беспроводные сенсорные сети, позволяющие организовать распределенное восприятие, регистрацию и передачу «запаховой» информации в пространстве.

Симбиоз первичных преобразователей и системы информационной обработки и привело к созданию «электронного носа». И теперь как человек или собака запоминают запахи и связанные с ними ассоциации, так и на нейронной сети, представляющей совокупность простых элементов, но достаточно сложных связей, откладываются определенные параметры. А их-то как раз и можно использовать в прикладных аспектах.

Не пей водицы...

Даже если на вид вода или другая жидкость, например спиртосодержащая смесь, в бутылке чиста, как слеза младенца, не факт, что в ее составе нет ничего подозрительного. «Электронный нос» способен определить в живительной влаге не только наличие вредных веществ, но даже «учуять» наличие не желательных для здоровья микроорганизмов. И сделать это конечно гораздо точнее, чем аналитики лабораторий специализированных организаций, которым приходится не только изучать воду под микроскопами и иными точными приборами, но и нюхать ее в специальной комнате, где, по возможности, не присутствует никакой запах вообще. Конечно, выводы получаются достаточно субъективные. А нос, обученный на качественном образце, основываясь на эталоне, выдает идеальную информацию.

Экономия использования тусуровских приборов несомненна. Датчики можно использовать на промышленных установках для очистки воды и применять для ее контроля. Представим ситуацию. Обратная вода идет на теплоэлектростанцию, и вдруг в нее попало нечто инородное. Турбина выходит из строя. А когда датчик улавливает запах, он сразу же резко перекрывает поступление воды - налицо колоссальная выгода: нет необходимости в ремонте турбины. ТУСУР начал переговоры о возможности применения «электронного носа» на Томском Водоканале. Более того, СКБ «Нейроконтроль» поставил перед собой задачу сделать датчики такими дешевыми, чтобы каждый желающий мог вставить их, как пробку, в любую бутылку. И тогда все, кто заботится о здоровье, смогут легко по запаху определить, качественный ли продукт, можно ли его пить или нет.

Безопасность в шахтах - еще одна проблема, и весьма актуальная, судя по печальному множеству участившихся аварий. Для информации о наличии метана сегодня прокладывают дорогостоящие кабели. Путь, который удешевит производство и предотвратит несчастье - это использование маленьких датчиков-таблеточек. Раскидать их по всей шахте и прикрепить к одежде рабочего не представляет особых проблем. Но польза от такого действия может спасти чью-то жизнь. Потому как датчики взаимодействуют на основе беспроводных сенсорных сетей: образуется так называемая «сенсорная пыль», благодаря чему диспетчер получает полную информацию о запахе метана. И затем предпринимаются все необходимые меры безопасности.

Датчики могут быть также использованы в обнаружении утечки нефти. Сейчас эту задачу решают дорогостоящие и долго реагирующие хроматографы, определяющие запах углеводородов. «Электронные носики» небольших размеров срабатывают моментально. Да и дешевле на многие порядки. Эта тема сегодня активно обсуждается представителями ТУСУРа, Ачинского нефтеперерабатывающего завода и Томского нефтехимкомбината.

Хотят тусуровцы «надрессировать» свои приборы и на запах диоксина и бензоперена - ядовитого вещества, выделяемого при сгорании полиэтилена, который тлеет по всей планете из-за активного использования человеком пленки и пластиковой тары.

Еще более широко могут быть задействованы датчики в таких отраслях, как парфюмерия и ароматерапия, где требуется решить не только задачу анализа запаха и его определения, но и направить электронного «нюхача» на синтезирование новых запахов. Конечно, «электронные носы» могут быть использованы в фармацевтике и пищевой промышленности. Они послужат на границах, где мешками в Россию переправляются не всегда качественные китайские игрушки. Не говоря уже об установках в аэропортах, предотвращающих теракты. Такое широкое использование прибора, опытные образцы которого уже существуют, и в перспективе планируется заключение договоров на выпуск серии, несомненно, направление весьма перспективное. Недаром им заинтересовались французы, которые готовы к сотрудничеству, потому что за границей серийных приборов столь высокого интеллектуального наполнения и низкой стоимости - а их предположительная цена от 1000 рублей - просто нет. А еще говорят, что деньги не пахнут…