فريق بحثي بقيادة كلية الهندسة بجامعة هونغ كونغ للعلوم و تكنولوجيا (HKUST) واجهت التحدي الطويل الأمد المتمثل في إنشاء أجهزة استشعار اصطناعية لحاسة الشم مع مصفوفات من أجهزة استشعار الغاز المتنوعة عالية الأداء.
إن رقائق الشم المحاكاة الحيوية المطورة حديثًا (BOC) قادرة على دمج مصفوفات مستشعرات الأنابيب النانوية على ركائز نانوية مع ما يصل إلى 10,000 مستشعر غاز قابل للتوجيه بشكل فردي لكل شريحة، وهو تكوين مشابه لكيفية عمل الشم لدى البشر والحيوانات الأخرى.
لعقود من الزمن، قام الباحثون في جميع أنحاء العالم بتطوير حاسة الشم الاصطناعية والأنوف الإلكترونية (الأنوف الإلكترونية) بهدف محاكاة الآلية المعقدة للنظام الشمي البيولوجي لتمييز مخاليط الروائح المعقدة بشكل فعال. ومع ذلك، فإن التحديات الرئيسية لتطويرها تكمن في صعوبة تصغير النظام وزيادة قدرات التعرف عليه في تحديد أنواع الغاز الدقيقة وتركيزاتها داخل مخاليط الرائحة المعقدة.
ولمعالجة هذه القضايا، قام فريق البحث بقيادة البروفيسور فان زيونج، أستاذ كرسي في قسم العلوم بجامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا إلكتروني وهندسة الكمبيوتر وقسم الهندسة الكيميائية والبيولوجية، استخدموا تدرجًا هندسيًا لتركيب المواد يسمح بمصفوفات واسعة من أجهزة الاستشعار المتنوعة على شريحة واحدة صغيرة ذات بنية نانوية.
ومن خلال الاستفادة من قوة الذكاء الاصطناعي، تُظهر رقائقها الشمية المحاكاة الحيوية حساسية استثنائية للغازات المختلفة مع إمكانية تمييز ممتازة للغازات المختلطة و24 رائحة مميزة. ومن خلال رؤية لتوسيع تطبيقات شرائحهم الشمية، قام الفريق أيضًا بدمج الرقائق مع أجهزة استشعار الرؤية على كلب آلي، مما أدى إلى إنشاء نظام مشترك بين حاسة الشم والبصر يمكنه التعرف بدقة على الأشياء الموجودة في الصناديق العمياء.
إن تطوير الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية لن يؤدي فقط إلى تحسين التطبيقات الواسعة الحالية لأنظمة الشم الاصطناعي والأنوف الإلكترونية في التحكم في العمليات الغذائية والبيئية والطبية والصناعية، بل سيفتح أيضًا إمكانيات جديدة في الأنظمة الذكية، مثل الروبوتات المتقدمة وأجهزة الكمبيوتر. الأجهزة الذكية المحمولة لتطبيقاتها في الدوريات الأمنية وعمليات الإنقاذ.
على سبيل المثال، في تطبيقاتها في المراقبة في الوقت الحقيقي ومراقبة الجودة، يمكن استخدام الرقائق الشمية المحاكاة الحيوية للكشف عن وتحليل روائح معينة أو مركبات متطايرة مرتبطة بمراحل مختلفة من العمليات الصناعية لضمان السلامة، والكشف عن أي غازات غير طبيعية أو خطرة في البيئة. يراقب؛ وتحديد التسرب في الأنابيب لتسهيل إصلاحه في الوقت المناسب.
التكنولوجيا المقدمة في هذه الدراسة بمثابة طفرة محورية في مجال رقمنة الرائحة. نظرًا لأن المجتمع العلمي يشهد الانتشار المنتصر لرقمنة المعلومات المرئية، والتي سهلتها تقنيات استشعار التصوير الحديثة والناضجة، فإن عالم المعلومات القائمة على الرائحة ظل غير مستغل بعد بسبب غياب أجهزة استشعار الرائحة المتقدمة.
لقد مهد العمل الذي أجراه فريق البروفيسور فان الطريق لتطوير أجهزة استشعار الرائحة المحاكاة الحيوية التي تمتلك إمكانات هائلة. ومع مزيد من التقدم، يمكن أن تجد هذه المستشعرات استخدامًا واسع النطاق، على غرار الوجود الواسع النطاق للكاميرات المصغرة في الهواتف المحمولة والإلكترونيات المحمولة، وبالتالي إثراء وتحسين نوعية حياة الناس.
بصفته باحثًا في علوم وهندسة المواد متعددة التخصصات، يحرص البروفيسور فان على الجمع بين النهج العملي والخيال الجريء في قيادة الأبحاث رفيعة المستوى التي تولد تأثيرًا اجتماعيًا. من خلال العمل على الأنظمة الحسية المحاكاة الحيوية لأكثر من عقدين من الزمن، بدأ لأول مرة بالنظام البصري ونجح في تطوير أول عين صناعية كروية في العالم بشبكية ثلاثية الأبعاد في عام 3. واستفادًا من هذا النجاح، غامر بالنظام الشمي ورفع مستوى عمله من خلال دمج كلا النظامين لإنتاج روبوتات أكثر ذكاءً مع تطبيقات موسعة.
"في المستقبل، مع تطوير مواد مناسبة متوافقة حيويا، نأمل أن يتم وضع شريحة الشم المحاكية الحيوية على جسم الإنسان للسماح لنا بشم رائحة لا يمكن شمها عادة. وقال البروفيسور فان: "يمكنه أيضًا مراقبة التشوهات في الجزيئات العضوية المتطايرة في أنفاسنا والمنبعثة من جلدنا، لتحذيرنا من الأمراض المحتملة، والوصول إلى مزيد من إمكانات هندسة المحاكاة الحيوية".