5.2: Програми, натхненні природними хіміосенсорними системами

Last updated
Save as PDF

Page ID: 33672

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

5.2 Програми, натхненні природними хіміосенсорними системами

Існує багато потенційних застосувань для хемосенсорних систем. Деякі з них включають:

- Промисловість охорони здоров'я, щоб зрозуміти власну біологію

- Комерційна харчова промисловість, щоб зрозуміти почуття смаку

- Комерційна парфумерна промисловість для розуміння нюху

- Комерційна промисловість пестицидів/гербіцидів для розуміння смаку комах

- Уряди для моніторингу повітря та води та пошуку джерел забруднення

- Військові простежують хімічні стежки до прихованих вибухових речовин і т.д.

Як і у випадку з додатками фотосенсорної та механосенсорної системи, решта цієї глави представляє зразок внесків вчених та дослідників, які намагаються продемонструвати або побудувати хемосенсорні системи на основі біологічного натхнення.

5.2.1 Модель носа, що демонструє здатність до дискримінації [Persaud82]

Ця робота демонструє грубу кодувальну здатність нюхової системи. Типи ORC мають різні рівні реакції на основні компоненти запаху, і, як вважають, специфічні запахи сприймаються як комбінація реакцій типу ORC.

Модель штучної нюхової системи, що імітує біологічні, була розроблена з акцентом на вибір детекторів одорантів, які реагують на найрізноманітніші хімічні типи та поєднують реакції, щоб паралельно можна було ідентифікувати різні одоранти. Для розрізнення різних стимулюючих одорантів було використано співвідношення реакцій датчиків.

Газові датчики, виготовлені з використанням напівпровідників n-типу, зручні, оскільки легуючу допінгу та інтенсивність легування можна регулювати для досягнення бажаного біоміметичного типу ORC. Це було б вигідно, оскільки напівпровідникова технологія добре підходить для виготовлення широкого спектру напівпровідників n-типу з дуже рівномірними відповідями, кожен з яких представляє тип ORC. Набір таких комерційно доступних напівпровідникових газових датчиків використовувався і давав конкретні моделі реакції для конкретних стимуляторів, але час відгуку був не таким швидким, як природні нюхові системи.

Модель носа була завершена використанням трьох комерційних датчиків від Figaro (www.figarosensor.com), в тому числі один призначений як датчик горючого газу загального призначення, ще один чутливий до спиртів, і ще один чутливий до чадного газу. Результати показали, що відповіді на понад 20 різних одорантів були послідовними та унікальними. Дослідники зазначають, що, як і в біологічних системах, таку штучну нюхову систему потрібно було б навчити розпізнавати конкретні закономірності як специфічні запахи.

5.2.2 Інтеграція нюхаючого насоса в штучний нюховий датчик [White02]

Ніс медичної школи Tuft (TMSN) був розроблений для поліпшення чутливості та здатності до дискримінації щодо попередніх зусиль зі штучного носа. Вентиляторна та клапанна система були влаштовані так, що молекули одоранта малювалися над масивом нюхових датчиків короткими сплесками, імітуючи моделі вдихання.

Відхилення від біології включає використання полімерних і барвникових сумішей в світлодіодах, флуоресценція яких змінюється на основі наявних одорантів. Так електрична енергія використовується для освітлення світлодіода, спектри якого змінюються за допомогою вхідних одорантів, а потім фотонна енергія перетворюється в аналогову електронну для подальшої обробки. Імовірно, це робиться, щоб допомогти задовольнити бажану чутливість для конкретної програми, яка тут є виявленням наземних мін. Цей пристрій включав 32 сенсори, відгуки яких були широкими на різні одоранти, які включали TNT, DNT та інші подібні сполуки. Цей курсове кодування вхідних даних нагадує природні нюхові датчики.

Цей проект (фінансується ОНР) ілюструє різні види використання біології для натхненного дизайну. Однією з цілей є наслідування біології, щоб краще зрозуміти, як біологія робить те, що робить, тому дуже важливо докласти всіх зусиль, щоб не відхилятися від біології. Інша мета включає окрему проблему, яка повинна бути вирішена (виявлення наземних мін), де біологія може дати деякі неймовірні уявлення про нові конструкції, але для досягнення цілей інші технології можуть бути інтегровані в дизайн, який відсуває його від справжньої емуляції біології.

5.2.3 Інтеграція обробки на основі шипів у штучний нюховий датчик [Liu18]

Ці зусилля сприяють інтеграції обробки сигналів на основі шипів, яка є відомою характеристикою природних нюхових датчиків. Перший етап зондування - це масив віртуальних нейронів нюхових рецепторів (VORN), які перетворюють реакцію одоранта в просторово-часовий малюнок шипів. Як і в біологічних ОР, масив складається з груп подібних рецепторів з перекриваються відповідями. Наступним станом зондування є біонічна нюхова цибулина (BOB), що складається з елементів обробки, названих на честь їх біологічних аналогів, шар мітральних клітин, який подається до шару клітин гранул. Інгібуючі реакції подаються назад від шару гранул до мітрального шару, який також відомий в біології. Це ще один приклад бічного гальмування або придушення тривалих реакцій після стимуляції клітини.

Завдання полягає в тому, щоб розрізнити один з семи китайських лікерів, які приходять з різних географічних місць з їх власним унікальним поєднанням одорантів. У біології мало що відомо про те, як природні нюхові системи обробляють сигнали спайки для специфічного виявлення запаху. Дослідники тут використовували два традиційні методи електронної обробки даних носа, а саме лінійний дискримінантний аналіз (LDA) та опорну векторну машину (SVM), а також штучну нейронну мережу зворотного поширення (BP-ANN). Останній має значну подобу біологічній обробці інформації і виконується краще, ніж два інших.

5.2.4 Інтеграція нюхових рецепторів комах для біогібридного датчика витрати газу [Yam20]

У цьому зусиллі біологія використовується для створення хімічного зондування, оскільки природний датчик чутливий і вибірковий. ДНК комах використовується для синтезу нюхових рецепторів, які заносяться в штучну клітинну мембрану. Складність полягає в отриманні вхідного газу в розчинну форму для хімічного виявлення штучного нюхового рецептора. Мікроскопічні щілини були розроблені в шляху потоку газу і модифіковані гідрофобним (водовідштовхуючим) покриттям для створення мікроканалів для хімічного виявлення.

Оскільки виявлення одоранту було спорадичним для даних стимуляторів, конструкція була масштабована для моніторингу 16 каналів. Це, здається, дає бажану відповідь виявлення. Біологія також спирається на кілька каналів або можливостей для успішного виявлення хімічних речовин. Наприклад, обговорюваний раніше самець шовкопряда може виявити одну молекулу жіночого феромону завдяки антенам, кожна з яких має понад 10 000 сенсілл (кожна 100 мкм довжиною і 2 мкм в діаметрі).

5.2.5 Роботизований хемотаксис омарів у турбулентних хімічних джерелах [Grasso02]

Експеримент Robo-Lobster мотивований прагненням до автономності для підводних апаратів. В основному використовується акустика, а іноді оптика, але багато біологічних видів активно використовують хіміозондування. Омар має довгі антени, які відбирають хімію води для таких цілей, як їжа, спаровування, нерест та уникнення хижаків. Викликом для пошуку джерела запаху є турбулентний характер підводних хімічних шлейфів, які викликають розриви в хімічних стежках; градієнтний спуск не спрацює. Якщо рухатися до виявленого джерела їжі, антени омарів меандру туди-сюди, намагаючись зловити зразки одоранту, і омар регулює його орієнтацію та напрямок руху у відповідь на те, що виявлено. Численні підводні програми виявлення хімічних джерел існують у науковій, екологічній, комерційній та військовій промисловості.

Акцент зусиль був більше на автономному придбанні хімічного джерела. Здатність омара повзати по дну була спрощена до підводного колісного робота в акваріумі. Резервуар вимірювався 10 м на 2 м і був заповнений глибиною 44 см рухомою морською водою. Було введено хімічне джерело, яке доставляло роботу молекули одоранту в повільно рухаються турбулентних візерунках. Робот рухався вперед, коли хімічна речовина була виявлена (коли провідність датчика перевищує поріг) і орієнтувався так, щоб реакції на дві штучні антени були більш збалансованими. Відповіді датчиків були перетворені на цифрові значення, і мікроконтролер Motorola, запрограмований на C, був використаний для реалізації алгоритму руху колеса.

Робот, призначений для імітації певного виду і намагається виконати завдання, виконане цим видом, може висвітлити наше розуміння біології. Автори висловлюють це, пропонуючи «побудувати робота, який компетентний перевірити гіпотезу або набір гіпотез, запропонованих біологією, а потім дозволити поведінці робота інформувати вас про прийнятність цієї гіпотези».