Menu

Kdo cítí všechny molekuly?

Seriál Člověk proti stroji

Část 1: Porozumění řeči: Může s námi počítač komunikovat?
Část 2: Fotbalový zápas: Kopou roboti lépe než reprezentační jedenáctka?
Část 3: Zrakový test: Má počítač ostřejší zrak?
Část 4: Absolutní sluch: Kdo slyší více zvukových frekvencí?
Část 5: Perfektní čich: Cítí počítač jednotlivé molekuly?
Část 6: Úchopový test: Je stroj přesnější než naše ruka?

Kdo cítí všechny molekuly?

Pachy vyvolávají v člověku emoce a varují ho před nebezpečími. Naproti tomu elektronický nos má člověka zachraňovat díky své schopnosti vycítit nemoci.
MANUEL SCHREIBER

Vzduch letního jitra, rozkvetlé louky, pach nového auta: vůně pro nás lidi vytvářejí smyslové světy, které v nás evokují vzpomínky, vyvolávají libé pocity, povzbuzují nás nebo odpuzují. Pro stroje to není nic jiného než molekuly, které je třeba analyzovat a vyhodnotit. To, že člověk reaguje na pachy tak emocionálně, je podivuhodné, neboť žádný zvláštní čich nemá – se svými asi 30 miliony čichových buněk dokáže rozlišit jen 350 jednotlivých pachových molekul a asi 10 000 pachových směsí. A to jen tehdy, je-li jejich koncentrace dostatečně vysoká. Pro srovnání – pes má 250 milionů čichových buněk, jimiž vyčenichá asi milion pachových kompozic.
Elektronický nos (E-nose) působí ve srovnání s tím takřka primitivně, neboť stroj pracuje většinou jen s maximálně 32 senzory, umělými čichovými buňkami. Tyto senzory jsou sice relativně precizní, na každou vůni však musí být zvláště kalibrovány. Navíc umí stroj vyhodnotit jenom to, co je uloženo v jeho databance. Nicméně vědci jsou si jisti: z E-nose se v blízké budoucnosti stane důležitý poplašný systém v průmyslu a zdravotnictví.

Senzory: Vážení vůní

U elektronických nosů neexistuje univerzální řešení, vědci pracují s různými, pro určité úlohy vyvinutými systémy. Jeden prvek se však v E-nose vyskytuje vždy: senzor, který zachycuje pachové molekuly a převádí je na elektrické signály. Nejrozšířenějšími senzory jsou oscilační krystaly a oxidy kovů, říká Prof. Dr. Udo Weimar z univerzity v německém Tübingenu. Oscilační krystal (QMB senzor) zachytává molekuly na mikrováze. Druhem a počtem pachových molekul mění své elektrické vlastní kmitání – a tím také signál, který se zavádí do počítače. Jinak je tomu u metaloxidových polovodičů (MOS sensor). Zde pachové látky ulpívají na tenké metaloxidové vrstvě, čímž se mění její elektrická vodivost.
Obě techniky se zásadně liší od přírodního nosu. Zatímco jednotlivá lidská čichová buňka rozpozná jen jeden zcela určitý typ molekuly, senzor s pouhou jednou vrstvou zachytí mnoho rozličných pachových molekul a převede je na elektrický signál. Aby senzor pokud možno cíleně reagoval na jednotlivé látky, používají vědci rozličné materiály, jako oxidy zinku nebo cínu – rozpoznají kompletní pachové vzorky jako u určitých vinných sort (viz schéma vpravo). "Čím více různých směsí oxidů do tohoto procesu vstoupí, tím přesnější mohou být následné analýzy," vysvětluje Prof. Dr. Rolf Klintworth z vysoké školy v Brémách. Spolehlivý bude výsledek teprve tehdy, jestliže spojíme více senzorů téhož typu. Tato pole (arrays) sestávají typicky ze čtyř až 32 senzorů.
Samotný senzor však není schopen odlišit ryzlink ročník 59 od bezolovnatého benzinu. Senzor molekuly jenom zachycuje, ale nevyhodnocuje je – představuje chemickou rozpoznávací úroveň. Matematické rozpoznávání probíhá v počítači. Toto rozhraní funguje podobně jako lidský mozek, který propojuje vůně s určitými objekty nebo vzpomínkami. Člověk dokáže pach rozpoznat a kvalitativně ohodnotit až po nezbytném tréninku, a stejně tak je tomu i u stroje. "Různé senzory vydají signál, ale není přesně známo, co detekovaly. Proto je zapotřebí z hodnot vytvořit ‚pattern recognition', tedy rozpoznání vzorků. Tím se elektronický nos trénuje," říká Prof. Dr. Anton Amann z Institutu pro analytiku dechových plynů rakouské akademie věd. Výsledky mnoha pachových zkoušek se ukládají do databank, aby E-nose mohl porovnat pozdější testy s již známými výsledky. Čím rozsáhlejší je objem dat, tím rychleji a flexibilněji se elektronický nos na určité pachy nakalibruje.

Zachránce života: E-nose hlásí poplach

Elektronické nosy jsou ještě relativně nepřesné, přesto v některých oblastech už patří téměř k základní výbavě. Senzory tak nacházíme po milionech v interiérech aut, kde přepínají klapku oběhového vzduchu. Jestliže auto vjede například do tunelu, senzor to detekuje a přepne přívod vnějšího vzduchu na vnitřní cirkulaci. Napříště mají takové přístroje také kontrolovat katalyzátory, které spalují velkou část nebezpečného oxidu uhelnatého. Pro lidský nos je tato chemická sloučenina absolutně bez zápachu, bez ohledu na množství. Naproti tomu elektronický systém zaregistruje i nejmenší koncentrace a může tak defektní zařízení ihned ohlásit.
Dalšími oblastmi nasazení jsou zásahy při katastrofách a letiště. Hasiči takovýmito systémy odhalí například únik plynů, letištní personál detekuje drogy a výbušniny – dosud ovšem jen sporadicky, neboť elektronické nosy zatím rozpoznávají jen málo pachů, a jsou tedy příliš specifické. Například na letišti je proto nejlepším slídičem stejně jako dříve pes.
E-nose má však zachraňovat životy nejen v takových případech. Dalším výzkumným oborem je medicína, neboť také nemoci se dají poznat podle pachu. "Existují indicie, že jeden speciální druh tumorů je cítit právě z oblasti horních cest dýchacích," říká Weimar. Poněvadž však nevíme, které složky to přesně jsou, je obtížné vyvinout specifický přístroj. Badatelé jako Anton Amann zde sázejí na kombinaci speciálních tablet a pachových senzorů. "Lékař u pacienta nejprve změří poměr izotopů podle vydechovaného plynu. Potom pacient dostane pilulku a lékař mu znovu vyšetří dech. Pokud se poměr izotopů změnil, napovídá to o bakteriální infekci," objasňuje Amann.
ZÁVĚR: Elektronický nos stojí teprve na začátku svého vývoje. Jeho velkým problémem je, že přijímá příliš mnoho různých pachových molekul, a není tedy dostatečně selektivní. Řešením by byly nové senzorové materiály, které pracují jemněji, tedy například metaloxidové polovodiče. "Pokud to dokážeme, objeví se úplně nové možnosti," říká Weimar. Takové nosy by mohly například otevřít cestu k "personalizované medicíně" čili ošetření na míru pacienta, prorokuje Amann. Kromě toho vědci plánují malé přenosné přístroje, které budou integrovány například do mobilních telefonů. "Tak by člověk během telefonování mohl současně podstoupit dechový test." Zda takový elektronický nos také pozná, jak dobré bylo víno u večeře, to je otázka. Mohl by ale zcela přesně zjistit, jaké látky obsahuje.
AUTOR@CHIP.CZ

Člověk

LIDSKÝ NOS
Na několika čtverečních centimetrech je rozmístěno až 30 milionů čichových buněk. Na nich vyrůstající chloupky zachycují vůni a transformují ji pro mozek.

V nosní sliznici leží na 2 × 5 čtverečních centimetrech kolem 30 milionů čichových smyslových buněk. Je mezi nimi však jenom 350 různých typů, z nichž každý vnímá pouze jednu určitou molekulu. Při kombinaci všech čichových buněk však člověk rozliší až 10 000 pachových variací.
Tzv. čichový kyj (bulbus olfactorius) je součástí mozku. V něm končí čichové nervy, jejichž vlákna zasahují do nosu skrz lebeční kost a vedou vůni dále.
Aromatické látky ze vzduchu se vážou na sliznici v oblasti čichového epitelu a v tekutém stavu se dostávají na chloupky - mitrální buňky zesiluji a filtrují podnět.
Čichová buňka má asi 20 chloupků (cilií), které transformuji pach na elektrické impulzy. Nervová vlákna (axony) vedou signál do mozku.

Přednosti a slabiny
+ rozeznává mnoho pachů
+ rychlé vnímání
- po nějakém čase potlačuje známé pachy
- cítí jen vysoké koncentrace
- závislý na momentálním stavu člověka

Stroj

ELEKTRONICKÝ NOS
E-nose sestává z mnoha senzorů, které reagují s pachovými molekulami. Po odpovídající kalibraci rozpoznávají a posuzují určité vzorky.

Na základě databanky se vzorek dá kvalitativně zařadit. Zde např. molekulární složení různých vinných sort.
U MOS senzoru ovlivňují molekuly vodivost kovového povrchu a tím i elektrické napětí.
U QMB senzoru ulpívají molekuly ve vrstvě na krystalu, čímž ovlivňují jeho kmitočet v závislosti na zachycené vůni.

Grafický výstup zobrazuje vzorek podle analýzy ve dvou- nebo trojrozměrném prostoru.
Rozpoznávání vzorků analyzuje elektrické signály senzoru a vyhodnocuje je.
MOS senzory reagují na mnoho různých látek, po¬třebují však velmi vysokou koncentraci.
QMB senzory se dají velmi jemně nastavit a rozeznají i nejmenší koncentrace.
Senzory teploty a vlhkosti měří rámcové podmínky vzorku - aby byl porovna¬telný s jinými.

Přednosti a slabiny
+ neunaví se
+ rovnoměrně precizní
+ velmi jemný čichový smysl
- pro každý pach nutná rozpoznávací kalibrace
- rozpoznává jen vzorky uložené v databance