Научные достижения химического факультета
23.11.2020

Зоологический подход помог химикам усилить
искусственное обоняние

Ученые химического факультета и НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова сумели повысить способность искусственного обоняния идентифицировать близкие по химическим свойствам газы - метан и пропан. Ключом к успеху стал подход к обработке данных химических сенсоров, ранее применявшийся для анализа эволюционного родства животных, ископаемых видов, а также предков человека.

Лабораторный образец искусственного обоняния оказался способен отличить метан от пропана в концентрации от 40 до 200 молекул газа на миллион молекул обычного уличного воздуха в условиях его переменной влажности и наличия фоновых загрязнителей. При этом ошибка идентификации газа составила менее 10%. Результат работы, сделанной при поддержке РФФИ, опубликован в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.

Разработка, действующая на тако уровне точности, может пригодиться на предприятиях химической промышленности, объектах энергетической инфраструктуры, а также для экологического контроля и мониторинга, при оценке качества воздуха в жилых и рабочих помещениях, контроля технологических процессов в пищевой индустрии, неинвазивной персонализированной медицинской диагностике и многом другом.

Искусственный нос из МГУ основан на усовершенствованных полупроводниковых газовых сенсорах на основе оксидов металлов. Первые такие системы появились достаточно давно. Впервые они были коммерциализированы в Японии в 80-х годах прошлого века, где позволили существенно сократить ущерб от пожаров из-за неправильного использования бытового газа.

"Сегодня развитие технологии машинного обучения позволяет преодолеть фундаментальное ограничение в применении подобных сенсоров и в других областях, а именно – низкую селективность, -- рассказывает руководитель научного коллектива, старший научный сотрудник Лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов Химического факультета МГУ Валерий Кривецкий. -- В своей работе мы в некотором смысле имитируем принцип работы обоняния человека и животных, согласно которому химический сигнал от обонятельных рецепторов передаётся в соответствующую область головного мозга, где и происходит распознавание запаха и определение интенсивности. Огромным достоинством сенсоров, на основе которых сделана наша система искусственного обоняния, стала чрезвычайная миниатюрность, простота регистрации сигнала и низкое энергопотребление. Всю эту систему можно сегодня без труда встроить в смартфон или какой-нибудь гаджет", - добавил ученый.

Лабораторный образец устройства искусственного обоняния использует в своей работе полупроводниковые газовые сенсоры на основе диоксида олова. Данный материал изменяет своё электрическое сопротивление при контакте с молекулами газов за счет протекания химических процессов на его поверхности. Ученые применили новаторский способ получения газочувствительных материалов, основанный на сжигании аэрозоля металл-органических прекурсоров. Это позволило получить диоксид олова в виде порошка с очень высокой удельной площадью поверхности контакта воздушной средой. Кроме того, данный подход позволил эффективно ввести в состав газочувствительного материала небольшие концентрации каталитических компонентов – золота и палладия, суммарно менее 0,5% по массе. Сочетание высокой удельной площади поверхности с гомогенным распределением катализаторов в виде субнанометровых частиц позволило добиться чрезвычайно высокой чувствительности полупроводниковых оксидов к широкому спектру газов.

"Структуры с такой развитой поверхностью склонны со временем деградировать, особенно в ходе работы при повышенных температурах, что сопровождается искажением сенсорного отклика. Дополнительную трудность для систем искусственного обоняния, работающих с использованием машинного обучения, представляет реальный городской воздух, обладающий переменной влажностью, содержащий примеси, некоторые из которых могут в буквальном смысле отравлять поверхность чувствительного элемента. Эти факторы могут существенно снизить правильность определения газов", - добавляет Александр Ефиторов, научный сотрудник Лаборатории адаптивных методов обработки данных НИИЯФ МГУ, соавтор публикации.

В ходе работы три сенсора на основе диоксида олова с разным содержанием катализаторов периодически нагревались до температуры 500 градусов Цельсия и охлаждались до 150 градусов. Такой режим работы позволяет использовать различия в химической активности газов – их способности участвовать в химических реакциях на поверхности нанокристаллов оксида и вызывать изменение его электропроводности. Так создается виртуальный массив рецепторов системы искусственного обоняния, поступающие с которого данные могут быть математически обработаны с целью выделения вклада того или иного газа или их смеси в изменение электрического сопротивления материалов.

"Для очистки исходных данных от фоновых компонентов мы перевели исходные графики зависимости абсолютных значений электрического сопротивления сенсоров от температуры в пространство форм. Ученые используют такой подход, чтобы корректно математически сравнивать между собой разные целевые группы биологических объектов, каждый из которых обладает индивидуальными особенностями. Так исследуют строение белков, связанные с заболеваниями изменения внутренних органов или, например, различия формы костей скелетов родственных биологических видов", - говорит Ефиторов.

Предварительно обработанные данные дальше подавались на вход глубокой нейронной сети. В итоге система оказалась способна в реальном времени выдавать ответ о содержании метана и пропана в воздухе, поступающем на сенсорный массив.

"Ещё одной особенностью работы стало то, что мы использовали полностью независимые массивы данных для тренировки системы искусственного обоняния в течение 6 дней и для последующего тестирования эффективности её работы в течение двух месяцев", - добавил Александр Ефиторов.