Если после сомнительной еды у вас просто заболел живот, можно сказать, что вам еще повезло. Пищевые отравления — это не только неприятные ощущения в желудке, а глобальная и иногда смертельно опасная проблема.
По оценкам Всемирной организации здравоохранения, каждый год более 850 миллионов человек заболевают после употребления зараженной пищи, а более 1,5 миллиона случаев заканчиваются смертью.
При этом, несмотря на развитие технологий, многие до сих пор проверяют продукты самым простым способом: нюхают вчерашнее молоко, остатки ужина или еду из холодильника и пытаются понять, можно ли это есть.
Проблема в том, что человеческий нос — не идеальный химический детектор. Поэтому инженеры из Калифорнийского университета в Беркли разработали «электронный нос», который может помочь находить скрытые признаки испорченной еды и опасных патогенов.
Авторы работы считают, что такую технологию можно встроить в обычные бытовые приборы. Например, в умные холодильники, которые уже подключаются к телефону и используют разные датчики.
Ведущий автор исследования Карла Бассил объясняет идею просто: было бы удобно, если бы холодильник сам говорил, что брокколи скоро испортится, а курицу лучше съесть сегодня, потому что завтра она уже может быть небезопасной.
«Электронный нос» состоит из 16 сенсоров. Каждый из них реагирует на немного разную смесь газов. Вместе они должны помогать понять, стоит ли есть продукт или лучше не рисковать.
Бассил сравнивает эти сенсоры с «цифровыми вкусовыми рецепторами». У каждого сенсора есть своя чувствительная пленка. Когда молекулы газа взаимодействуют с поверхностью сенсора, химическая реакция превращается в электрический сигнал.
Затем исследователи использовали методы машинного обучения, чтобы обучить устройство распознавать 16 разных продуктов. Общая точность предсказаний достигла почти 93%.
Среди продуктов были фрукты и распространенные ореховые аллергены, включая грецкие орехи и арахис. Также устройству дали менее приятную задачу: распознавать сырую курицу, молоко и яйца, которые оставляли вне холодильника на 24–48 часов.
По словам исследователей, их «электронный нос» имеет несколько преимуществ по сравнению с другими газовыми системами на одном чипе. Некоторые из них используют только от 2 до 10 сенсоров, тогда как новая система включает 16.
Еще одна важная особенность — устройство работает при комнатной температуре. Это стало возможным благодаря полупроводникам из углеродных нанотрубок. Такой материал сочетает большую площадь поверхности, прочность и легкость.
Производство устройства тоже относительно простое. Исследователи используют метод drop casting: наносят раствор с наночастицами на чип, промывают его и высушивают с помощью азотного пистолета.
Бассил отмечает, что масштабируемость технологии связана с тем, что разные чувствительные материалы можно наносить за один этап.
Но до идеального устройства еще далеко. Команда уже работает над тем, чтобы система лучше различала похожие категории продуктов. Например, важно не путать древесные орехи и арахис, который относится к бобовым. Это особенно важно, потому что такие продукты могут вызывать тяжелые аллергические реакции.
В будущем этот «электронный нос» может использоваться не только для определения испорченной еды, но и для обнаружения аллергенов. Исследователи надеются, что это поможет снизить число опасных ситуаций, связанных с пищевой аллергией.
Устройство уже может обнаружить всего 0,05 грамма изолированного грецкого ореха — примерно одну сотую часть одного ореха. Но его еще нужно проверить в более сложных условиях. Например, одно дело — распознать отдельный кусочек ореха, и совсем другое — найти следы грецкого ореха в пироге или определить один испорченный продукт в полном холодильнике.
Команда также разрабатывает портативную версию «электронного носа», которая будет синхронизироваться с приложением на смартфоне. В будущем посетители ресторанов, возможно, смогут проводить таким устройством над суши или другой едой, чтобы проверить ее безопасность.
Пока неизвестно, сколько будет стоить такое устройство и получится ли использовать его в условиях с ограниченными ресурсами. Многие пищевые отравления связаны не только с отсутствием датчиков, но и с нехваткой холодильников, загрязненной водой или перебоями с электричеством.
При этом авторы считают, что применение «электронного носа» не обязательно ограничивать едой. В будущем похожую технологию можно будет использовать и для отслеживания запахов, связанных со здоровьем человека, примерно как это делают собаки, способные предупреждать о диабете.
Бассил говорит, что машинное обучение стало важным прорывом для сенсорных технологий, потому что оно улучшило распознавание закономерностей и упростило использование таких систем. Главное преимущество в том, что «электронный нос» можно обучать на разных объектах — а значит, потенциально создавать сенсоры под самые разные задачи.
Исследование опубликовано в Science Advances.
