Электронные носы: прорыв в имитации обоняния человека

Электронные носы, наконец, достигают значительных успехов в распознавании запахов, почти сравнимых с человеческим обонянием. Такой вывод сделан в научном обзоре, посвященном разработке нейроморфных обонятельных чипов (NOPC), опубликованном в журнале Nature Reviews Electrical Engineering.

Сила человеческого носа

Миллионы лет эволюции отточили человеческий нос. Этот мощный орган чувств, хоть и не самый лучший в животном царстве, способен различать около триллиона запахов. Однако попытки создать электронные аналоги с возможностями, сопоставимыми с человеческими, для таких областей, как безопасность, робототехника и медицинская диагностика, оказались чрезвычайно сложными. Ученые всё чаще обращаются к нейроморфным вычислениям, которые подразумевают проектирование аппаратного и программного обеспечения, имитирующего структуру и функции мозга.

В своем обзоре команда ученых из Китая выделяет ключевые достижения в разработке обонятельных сенсорных чипов. Особое внимание уделяется газовым сенсорам, являющимся основой системы электронного носа. Они должны физически детектировать молекулы запаха и преобразовывать их в электрические сигналы. Тем не менее, одним из главных недостатков современных систем является неспособность распознавать тонкие запахи. Кроме того, растет спрос на более быстрые и мощные электронные носы для мониторинга загрязнения воздуха, проверки безопасности пищевых продуктов в реальном времени и неинвазивной медицинской диагностики (например, «определения болезней по запаху»).

Создание более «мозгоподобных» чипов

Обзор подчеркивает, как ученые преодолевают эти ограничения с помощью чипов, имитирующих эффективность мозга. Например, разрабатываются чипы с использованием мемристоров и спайковых нейронных сетей (SNN). Мемристоры — это электронные компоненты, способные одновременно хранить и обрабатывать информацию, подобно синапсам в мозге, а SNN имитируют способ передачи информации нейронами посредством коротких электрических импульсов. Интегрируя эти два биоинспирированных элемента, исследователи создают автономные, энергоэффективные электронные носы, способные обнаруживать и различать запахи, недоступные для старых систем.

Важнейшим достижением стало создание чипов, функционирующих как крошечные, высокоэффективные «мозги». Исследователям удалось объединить сенсоры, память и вычислительные мощности на одном кристалле. Это решило проблему избыточного энергопотребления и позволило электронным носам использовать значительно меньше энергии. По сути, эта биоинспирированная конструкция дает системе возможность обучаться новым запахам всего по одному образцу и различать сложные ароматы (например, смеси газов), которые ставят в тупик традиционные электронные носы.

«Вдохновляясь биологическим обонянием и интегрируя микро-наноэлектронику с технологиями искусственного интеллекта, эти чипы предлагают перспективное решение для достижения восприятия запахов, обучения и распознавания в реальном времени, превосходя ограничения традиционных газовых сенсоров», — пишут исследователи.

Согласно обзору, ключевые задачи при разработке этих чипов в коммерческие продукты остаются. К ним относятся преодоление дрейфа сенсоров, вызывающего снижение точности через недели и месяцы, а также обеспечение стабильности и надежности нейроморфного оборудования на годы.