Nejen pro využití virtuální reality, ale i v policejních složkách, průmyslu, gastronomii apod., se konstruují a vyvíjejí senzory vůně, populárně nazývané elektronické nosy. Ty by umožnily nahrazení zvířat, které se využívají například pro hledání heroinu nebo min. V následujícím článku je pak stručně popsán princip a možnosti analýzy vůně či pachů.

Tak jako lidé a zvířata této planety mají různě citlivé čichové ústrojí na zvané nos, snaží se firmy a vědci vyrobit jeho co možná nejlepší elektronickou podobu - inteligentní senzor vůně (odor sensor) nebo elektronický nos (electronic nose). Zatímco elektronické provedení jiných lidských smyslových orgánů se již úspěšně využívá, právě čich a s tím spojená detekce pachů a vůní patří stále mezi málo obvyklé. To je způsobeno strukturou vůně, která není definovaná žádnou konkrétní fyzikální veličinou a člověk jich rozliší i několik tisíc druhů jen podle pocitů a přiřazením k podobné skupině. Nelze tedy přesně a jednoduše parametrizovat tento vjem, jako je tomu například u světla, které je plně definováno vlnovou délkou, nebo u zvuku, definovaný akustickým tlakem a frekvencí.

Princip detekce a správného rozlišení vůně je v jádru dosti složitý, protože druhů vůní a pachů je nepřeberné množství a mohou být tvořeny libovolnou kombinací různých vůní různých základních zdrojů. Definovat pak v konečném důsledku zdroj nebo aplikaci, která konkrétní pach vydává, není vůbec jednoduché a ve svém principu je vyhodnocení podobné rozlišení ručně psaného písma (grafity) nebo přepisu hlasu do textu. V tomto článku se tak stručně pokusím přiblížit princip a možnou strukturu takové elektronické náhrady našeho čichu, který by bylo v praxi možné využít v mnoha aplikací zjištění přítomnosti chemických látek, osob, třaskavin, skrytého heroinu, zkažených potravin a nahradit tak například psi nebo dosud pro tyto účely používaná jiná zvířata.

Co je to fyzikálně pach?

Pach, tj. vůně, zápach, smrad, patří mezi naše vjemy, které rozlišujeme v mozku na základě našeho pocitu, který vyvolají nervové vzruchy vzniklé převodem pachu v naše nose. Převod probíhá na chemické principu, který, stručně vyjádřeno, analyzuje složení vzduchu. Jedná se tedy o takový chemický analyzátor vzduchu.

Pach či vůně je z fyzikálního pohledu rozptýlení jedné nebo i stovek až tisíc molekul plynu různých látek ve vzduchu. Jeto vlastně obdoba zředěného roztoku, obsahující různé molekuly látek. Pro celkový vjem je nutné zachytit a analyzovat vzorek obsahující celé spektrum molekul v něm obsažené. Narozdíl od roztoků kapalin je obvykle koncentrace molekul ve vzduchu velmi malá a je nutné provádět časově delší analýzu, než dojde k interakci všech typů molekul s citlivou částí senzoru.

V případě člověka dochází k analýze prostřednictvím čichovým receptorů ORP. Jejich G proteiny pak stimulují enzymy a přenosovou substanci cyclic adenosine monophosphate (cAMP), která vytváří "přenosový kanál" do mozku. Zde síť neuronu vyhodnotí získaný chemický signál a přiřadí ho k některé dosud známé vůni. Proto i při čichání k neznámé vůni nebo pachu si automaticky vybavíme předmět podobné vůně.

Obecný princip senzoru - převodníku pachu na digitální signál

Zařízení typu elektronický nos nebo také senzor vůně (odor sensor) je obecně složen z následujících částí: Skupina snímačů/analyzátorů plynu - sensor array - k nimž je přiveden stejný vzorek vzduchu/plynu (Odor gas) Parametrizace signálů ze senzorů Zpracování signálů a jejich vyhodnocení v CPU nebo MCU (Analysis by computer) Jednotlivé části, jak jsou za sebou uvedeny, na sebe navazují a postupně zpracovávají získanou informaci s cílem získat konkrétní parametr přiřazující již analyzovanou vůni do konkrétní skupiny. Ta může udávat konkrétní zdroj, člověku srozumitelné vlastnosti nebo chemické složení.

Obr. 2. Základní princip inteligentního senzoru vůně (Odor sensor)

Základ tedy tvoří skupina snímačů, které detekují molekuly látek rozptýlených ve vzduchu a převádí jejich koncentraci na elektrický signál. Snímače je obvykle koncipovány jako chemické senzory obsahující na citlivém povrchu chemickou látku, která absorbuje molekuly obsažené v okolí snímače. Absorpcí dochází ke změnám vlastností detekční látky, které jsou dále převedeny na změnu některé z elektrických veličin. Nejčastěji na změny napětí, proudu, odporu nebo frekvence. Příkladem jsou dále popisované QCR senzory pracující jako převodník na změnu frekvence. Protože není možné vyrobit jeden senzor citlivý (absorbující) na všechny potřebné molekuly, používá se skupiny (pole) několika senzorů pracujících na stejném principu, ale obsahují různý typ absorpcí látky (Film A, Film B, Film C atd.). Výsledkem je X elektrických signálů z X snímačů dohromady podávající informaci o složení "vůně". Jenže k získání jediné informace o typu vůně je nutné provést rozsáhlé zpracování.

Jednou z možností, jak zpracovat rozdílné signály obsahující tzv. korelovanou informaci, je metoda PCA - Principal Component Analysis. Ta provádí přepočítání všech signálů na dva parametry PC1 a PC2, které bezezbytku popisují analyzovanou vůni a definují ji konkrétní místo na ploše v PC1-PC2 grafu. Pokud před analýzou neznámého pachu systém vystavíme detekci známých vůní a jejich bodům v PC1-PC2 grafu přiřadíme konkrétní označení zdroje, můžeme pak podle polohy bodu provést přiřazení i neznámé vůně určité skupině - viz obrázek. Tak je možné i neznámé a dříve nedetekované pachy přirovnat k dříve analyzovaným a získat podobnou informaci, jakou automaticky získá náš mozek.

Princip senzoru vůně typu QCR (QCM)

I když existují dva názvy, princip funkce obou snímačů je v základu obdobný. QCR - krystalový rezonátor (Quartz Crystal Resonator) i QCM - krystalové mikrováhy (Quartz Crystal Microbalance) využívají krystal pokrytý z jedné nebo z obou stran chemickým analyzátorem, což je látka, která pohlcuje nějaký konkrétní typ nebo skupinu molekul plynu látky vyskytující se v analyzovaném vzduchu. Výsledkem je zvýšení hmoty rezonátoru, což způsobuje posun jeho rezonanční frekvence a tím i frekvence realizovaného oscilátoru. Tento posuv již dále může být zpracován libovolným mikroprocesorem. Konkrétním příkladem jsou PPF-QCR snímače, tzn. krystalový oscilátor pokrytý plasmou deponovaným organickým absorpčním filmem (plasma-deposited organic adsorption films - PPF) - viz obrázek 5. a 6.

Celý systém snímače lze zjednodušeně modelovat mechanickým blokovým schéma na obrázku 7. Na něm je změna rezonanční frekvence modelována pružinou, která je zatěžována masou tvořenou absorpční plastickou vrstvou (plastic coating) a samotným krystalem. S rostoucí hmotností zátěže se mění i frekvence kmitů. Pro QCR snímač s průměrem 8 mm, základní rezonanční frekvencí 9 MHz a plochou krystalu 0.13 mm2, odpovídá změna frekvence vzorci Δf = - 1.05 Δm [ng]. Hodnota Δm odpovídá změně hmotnosti vzniklé absorpcí. Na grafu na obrázku 6. ukazuje posuv frekvence v závislosti na délce doby působení různých pachů na snímač.

Obr. 7. Mechanický model snímače QCR

Závěr

Inteligentní senzory vůně, nebo jak se jim populárně říká elektronický nos, mají jistě do budoucna velké využití. Nejen v již zmíněném průmyslu, policejních složkách (hledání drog, alkoholu, identifikace osob apod.), gastronomii apod., ale i v zábavním průmyslu a hlavně virtuální realitě. Elektrický přenos informace o vůni květin nebo parfémů, by jistě zdokonalil výběr výrobků v internetových obchodech. A nakonec i osoby hodnotíme a vybíráme si podle jejich osobní vůně - feromonů, a tak by výběr partnera v internetové seznamce mohl být "spolehlivější"........... :-)

DOWNLOAD & Odkazy

• Odkazy na články o senzorech vůně a pachu: www.physorg.com/news1194.html , www.devicelink.com/ivdt/archive/00/01/004.html

   

• Michiko Seyama, Masayuki Nakamura, Akiyuki Tate: "Odor-sensor Technology Based on an Array of Quartz Crystal Resonators Coated with Plasma-deposited Organic Film", NTT Technical Review, Vol. 2 No. 2 Feb. 2004
• Junichi Kita: "Attempts at Simplified Measurement of Odors in Japan using Odor Sensors"

 

• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz