Een onderzoeksteam onder leiding van de School of Engineering van de Hong Kong University of Science en Technologie (HKUST) heeft de al lang bestaande uitdaging aangepakt om kunstmatige reuksensoren te creëren met reeksen diverse hoogwaardige gassensoren.
Hun nieuw ontwikkelde biomimetische olfactorische chips (BOC) kunnen nanobuissensorarrays integreren op nanoporeuze substraten met maximaal 10,000 individueel adresseerbare gassensoren per chip, een configuratie die vergelijkbaar is met hoe reuk werkt voor mensen en andere dieren.
Tientallen jaren lang hebben onderzoekers over de hele wereld kunstmatige reuk- en elektronische neuzen (e-neuzen) ontwikkeld met als doel het ingewikkelde mechanisme van het biologische reuksysteem na te bootsen om complexe geurmengsels effectief te onderscheiden. Toch liggen de grote uitdagingen van hun ontwikkeling in de moeilijkheid om het systeem te miniaturiseren en de herkenningsmogelijkheden ervan te vergroten bij het bepalen van de exacte gassoorten en hun concentraties in complexe geurmengsels.
Om deze problemen aan te pakken heeft het onderzoeksteam onder leiding van prof. Fan Zhiyong, voorzitter professor aan de afdeling HKUST elektronisch & Computer Engineering en de afdeling Chemische en Biologische Technologie, gebruikten een samengestelde materiaalsamenstellingsgradiënt die brede reeksen van diverse sensoren op één kleine nanogestructureerde chip mogelijk maakt.
Door gebruik te maken van de kracht van kunstmatige intelligentie, vertonen hun biomimetische reukchips een uitzonderlijke gevoeligheid voor verschillende gassen met uitstekende onderscheidbaarheid voor gemengde gassen en 24 verschillende geuren. Met een visie om de toepassingen van hun reukchip uit te breiden, integreerde het team de chips ook met visiesensoren op een robothond, waardoor een gecombineerd reuk- en visueel systeem ontstond dat objecten in blinde dozen nauwkeurig kan identificeren.
De ontwikkeling van de biomimetische reukchips zal niet alleen de bestaande brede toepassingen van de kunstmatige reuk- en e-noses-systemen in de voedsel-, milieu-, medische en industriële procescontrole verbeteren, maar ook nieuwe mogelijkheden openen in intelligente systemen, zoals geavanceerde robots en draagbare slimme apparaten, voor toepassingen bij veiligheidspatrouilles en reddingsoperaties.
In hun toepassingen in real-time monitoring en kwaliteitscontrole kunnen de biomimetische reukchips bijvoorbeeld worden gebruikt om specifieke geuren of vluchtige verbindingen te detecteren en analyseren die verband houden met verschillende stadia van industriële processen om de veiligheid te garanderen en eventuele abnormale of gevaarlijke gassen in omgevingslucht te detecteren en te analyseren. toezicht houden; en lekkage in leidingen identificeren om tijdige reparatie te vergemakkelijken.
De technologie die in dit onderzoek wordt gepresenteerd, dient als een cruciale doorbraak op het gebied van geurdigitalisering. Terwijl de wetenschappelijke gemeenschap getuige is van de triomfantelijke opkomst van de digitalisering van visuele informatie, mogelijk gemaakt door moderne en volwassen beelddetectietechnologieën, is het domein van op geur gebaseerde informatie nog steeds onaangeroerd vanwege de afwezigheid van geavanceerde geursensoren.
Het werk van het team van prof. Fan heeft de weg vrijgemaakt voor de ontwikkeling van biomimetische geursensoren die een enorm potentieel bezitten. Met verdere ontwikkelingen zouden deze sensoren op grote schaal kunnen worden gebruikt, vergelijkbaar met de alomtegenwoordige aanwezigheid van geminiaturiseerde camera's in mobiele telefoons en draagbare elektronica, waardoor de levenskwaliteit van mensen wordt verrijkt en verbeterd.
Prof. Fan is een wetenschapper op het gebied van interdisciplinaire materiaalkunde en -techniek en wil graag een praktische aanpak combineren met gedurfde verbeeldingskracht bij het stimuleren van toponderzoek dat sociale impact genereert. Hij werkte meer dan twintig jaar aan biomimetische sensorische systemen, begon eerst met het visuele systeem en ontwikkelde in 3 met succes 's werelds eerste bolvormige kunstoog met een 2020D-netvlies. Voortbouwend op dit succes waagde hij zich aan het reuksysteem en verhoogde zijn werk door het integreren van beide systemen om intelligentere robots met uitgebreide toepassingen te realiseren.
“In de toekomst hopen we, met de ontwikkeling van geschikte bio-compatibele materialen, dat de biomimetische reukchip ook op het menselijk lichaam kan worden geplaatst, zodat we een geur kunnen ruiken die normaal niet geroken kan worden. Het kan ook de afwijkingen monitoren in vluchtige organische moleculen in onze adem en uitgestoten door onze huid, om ons te waarschuwen voor mogelijke ziekten, waardoor een verder potentieel van biomimetische technologie wordt bereikt”, aldus prof. Fan.