Проблема пищевых отравлений давно вышла за рамки простого кишечного недомогания. Это глобальная угроза, ежегодно уносящая жизни более полутора миллионов человек, согласно статистике Всемирной организации здравоохранения. Еще около 850 миллионов людей сталкиваются с тяжелыми заболеваниями после употребления зараженных продуктов.
Парадокс современности заключается в том, что при всем технологическом прогрессе главным инструментом контроля безопасности еды остается человеческий нос. Мы подносим к лицу вчерашнее молоко или забытый на столе стейк, пытаясь уловить признаки гниения. Однако природа не создавала наш орган обоняния как точный химический анализатор, о чем свидетельствует огромное количество обращений за медицинской помощью из-за несварения желудка.
Чтобы положить конец сомнительным проверкам на нюх, специалисты из Калифорнийского университета в Беркли представили разработку — портативный «электрический нос». По мнению ведущего автора исследования, инженера Карлы Бассил, эта технология идеально впишется в концепцию умного дома. Специалист пояснила свою мысль так: идеальным сценарием станет интеграция сенсора в бытовую технику. Было бы крайне удобно открыть дверцу устройства и получить уведомление о том, что брокколи доживает последние дни, а срок годности сырой птицы истекает сегодня.
Устройство представляет собой микрочип, оснащенный шестнадцатью отдельными датчиками. Каждый из них настроен на восприятие определенного набора газовых молекул. Бассил называет эти элементы цифровыми вкусовыми рецепторами. Принцип их работы строится на преобразовании химической реакции между поверхностью сенсора и газом в четкий электрический импульс. Чтобы система понимала разницу между спелым яблоком и опасным мясом, исследователи применили алгоритмы машинного обучения. В итоге электронный дегустатор научился распознавать шестнадцать типов объектов — от фруктов и аллергенов вроде грецких орехов до лежалой курицы, яиц и молока. Общая точность прогноза достигла почти девяноста трех процентов.
Эта разработка выгодно отличается от предыдущих попыток создания подобных чипов. Если раньше одночиповые системы использовали максимум десять сенсоров, то здесь их шестнадцать. При этом аппарату не требуется нагрев — он функционирует при комнатной температуре благодаря полупроводникам из углеродных нанотрубок. Этот материал дает огромную площадь поверхности при минимальном весе и высокой прочности. Процесс сборки также прост: ученые наносят каплю раствора с наночастицами на плату, промывают ее и высушивают струей азота.
Карла Бассил подчеркнула главную особенность архитектуры прибора. Она отметила, что возможность вводить все шестнадцать разных материалов одновременно делает систему легко масштабируемой. На текущем этапе авторы уже решили проблему ложной идентификации категорий. Алгоритм больше не путает древесные орехи с арахисом (который относится к бобовым). Это критически важное различие, учитывая, что данные продукты входят в топ самых опасных аллергенов США и могут вызвать смертельную анафилаксию.
В перспективе такой синтетический анализатор способен снизить число экстренных госпитализаций по поводу пищевой аллергии. Сейчас в Америке фиксируется порядка 3,4 миллиона таких случаев в год — это один пациент каждые десять секунд. Пока чувствительность устройства позволяет найти всего пять сотых грамма грецкого ореха, но создатели видят перед ним гораздо более широкие горизонты.
Команда трудится над созданием карманной версии гаджета, которая будет синхронизироваться со смартфоном. В будущем поход в суши-бар может сопровождаться тем, что посетитель проведет кибер-детектором над тарелкой, прежде чем начать трапезу.
Разумеется, остаются вопросы стоимости и работоспособности в условиях отсутствия холодильников или стабильного электричества, ведь именно там чаще всего возникают очаги массовых отравлений. Тем не менее потенциал технологии выходит далеко за пределы кухни. Разработчики планируют адаптировать прибор для биометрии. Подобно собакам, которые предупреждают владельцев о падении сахара в крови, электронный нос сможет отслеживать специфические запахи здоровья человека. Как заключила Карла Бассил, современные методы обучения нейросетей стали прорывом. Теперь датчик можно натренировать практически на любой объект, создавая специализированные инструменты для медицины или промышленности.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Изображение: "электрический нос", разработанный инженерами из Калифорнийского университета в Беркли. (Брэндон Санчес-Мехия/UC Berkeley)
