Израильские ученые объединили насекомое и машину, чтобы создать запах

Собаки в аэропортах, опустите головы: Тель-Авивские ученые создают биомеханику из саранчи в качестве доказательства концепции

Исследователи из Тель-Авивского университета создали, возможно, самое чувствительное в мире устройство для идентификации запахов, объединив передовую электронику и искусственный интеллект с «технологией», насчитывающей сотни миллионов лет: антенной саранчи. (Расслабьтесь, дорогой читатель, саранча выжила в этой истории.)

Их экспериментальное изобретение биомеханического обонятельного робота, основанного на щупальцах саранчи, было описано на прошлой неделе в престижном журнале Biosensors and Bioelectronics.

«Запах-боты» используются в более продвинутых аэропортах для обнаружения контрабанды, такой как марихуана, в нашем багаже ​​и при нас самих. Даже более продвинутые аэропорты используют собак, потому что, как отмечают профессор Йосси Йовель, доктор Бен Маоз и его команда, искусственные технологии все еще не могут конкурировать с миллионами лет эволюции. Они до сих пор не могут, но теперь ученые из Тель-Авивского университета пошли дальше, используя развитое обоняние саранчи.

Насекомые начали появляться почти полмиллиарда лет назад и успели развить необыкновенные способности. Наш друг комар может обнаружить разницу в концентрации углекислого газа в 0,01 процента, что помогает ему найти потенциальную пищу: животных, выдыхающих CO2. По словам команды, человечество еще далеко от создания искусственных датчиков с такими возможностями.

Почему стоит выбрать саранчу, а не, скажем, комаров или тараканов, у которых не так много поклонников, воющих об их правах? Известно, что саранча способна распознавать широкий спектр запахов, говорит Маоз, добавляя, что соавтор профессор Амир Аяла – эксперт по насекомым – посчитал это подходящей отправной точкой.

Так, израильская пустынная саранча чует запахи, используя свои усики. Хитрость заключается в том, чтобы подключить этот биологический датчик к искусственной системе, которая может принимать и декодировать электрические сигналы – которую команда называет «простой технологией электроантеннограмм», оснащенной программным обеспечением для анализа запахов. По словам команды, их биомеханический обонятельный робот в 10 000 раз более чувствителен, чем обычно используемое электронное «нюхательное» устройство.

Что такое простая электроантеннограммная технология? «Информация в организме всех живых организмов передается посредством электрических импульсов. Наши органы чувств преобразуют различные виды стимулов окружающей среды (например, молекулы запаха) в электрические сигналы», — объясняет Маоз. «Технология электроантеннограмм позволяет «считывать» сигналы, генерируемые антенной насекомого в ответ на определенные обонятельные сигналы (специфические запахи). Эти сигналы затем могут быть переданы в алгоритм машинного обучения для идентификации и в робота для локализации».

Обучение машины включало подключение антенны к технологии и воздействие на нее различных запахов, а также измерение биоэлектрической активности, которую вызывает каждый запах, говорит Йовель.

«Система позволила нам обнаружить каждый запах на уровне основного органа чувств насекомого. Затем, на втором этапе, мы использовали машинное обучение, чтобы создать «библиотеку» запахов», — объясняет он.

Таким образом они смогли охарактеризовать восприятие антенной восьми запахов, таких как герань, лимон и марципан. «Фактически, после окончания эксперимента мы продолжили идентифицировать дополнительные разные и необычные запахи, например, различных сортов шотландского виски. Сравнение со стандартными измерительными приборами показало, что чувствительность носа насекомого в нашей системе примерно в 10 000 раз выше, чем у приборов, которые используются сегодня», — отмечает Йовель.

По словам команды, полученное устройство может различать по крайней мере восемь чистых запахов и две смеси различных запахов, независимо от их концентрации.

Способность распознавать восемь запахов кажется бесполезной. Но это число — всего лишь результат процесса обучения бота-жука, объясняет Маоз.

«Большинство электронных анализаторов чувствительны к определенным молекулам (то есть к определенным запахам)», — говорит он. «Поскольку мы используем биологический нос, мы (почти) не ограничены конкретными молекулами. Мы смогли увидеть уникальные реакции на десятки запахов». Но восьмерка связана с тем, что обучение системы распознаванию конкретного запаха (какой запах принадлежит какому материалу) требует много времени. Можно научить сниффер обнаруживать любой запах, и в данном случае они выбрали восемь. Контрабандисты марципана, вы предупреждены.