| | | | |  | | Ideato sulla base dell’analogia con il funzionamento del naso umano, è stato sviluppato un naso elettronico in grado di funzionare in differenti contesti applicativi e caratterizzato da elevata precisione e sensibilità per il riconoscimento e la classificazione degli odori.
Marco Ardoino
|  | | | Il dispositivo denominato “naso elettronico”, realizzato presso l’Università di Roma -Tor Vergata è già stato positivamente testato, ad esempio, per controllare la freschezza del pesce surgelato e della carne di vitello, il grado di stagionatura di formaggi, la classificazione di vini, di acque minerali, di varietà di frutta e di olive. Va però sottolineato che le possibili applicazioni dell’apparecchiatura non si limitano al settore agroalimentare, ma possono essere estese a moltissimi altri comparti, primo tra tutti quello biomedicale, in cui si contano già numerose sperimentazioni positive.
Nota: il progetto è frutto della collaborazione tra il Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell’Università di Roma Tor Vergata – Gruppo Sensori e Microsistemi diretto dal Prof. Arnaldo D’Amico - e il Progetto Sensori e Microsistemi del CNR, diretto dal Dr. Paolo De Gasperis, dell’Area della Ricerca di Roma-Tor Vergata.
Dall’uomo alla macchina
L’olfatto è caratterizzato da un complesso sistema di interconnessione tra recettori e neuroni, che adduce i segnali direttamente al lobo limbico del cervello. In pratica, quando un odore viene percepito, le molecole interagiscono con i numerosi recettori nasali che inviano il segnale al cervello che, a sua volta, procede al riconoscimento e all’interpretazione sulla base dei dati già acquisiti e memorizzati.
Nel naso dell’uomo sono attivi in media un milione di recettori, che salgono a cento milioni in quello del cane o del gatto che, quindi, risulta circa cento volte più sensibile ed efficace.
Nel caso del naso elettronico, il sistema, in analogia all’interazione del bulbo olfattivo con i propri recettori, è costituito da una matrice di 8-10 sensori al quarzo ricoperti da un opportuno materiale chimico interattivo, non selettivo rispetto alle sostanze volatili presenti nell’ambiente, mentre la cavità nasale è stata riprodotta mediante un’opportuna camera a tenuta (nella quale sono inseriti i quarzi), in modo da garantire l’interazione uniforme tra ambiente e sensori.
In tale contesto, è di notevole importanza la disposizione dei sensori rispetto al flusso che scorre all’interno della cavità; infatti, è necessario che ogni sensore sia lambito su ambo le facce da una uguale quantità di sostanza, cercando di mantenere il flusso il più laminare possibile, per evitare disuniformità locali dovute alla presenza di vortici indesiderati. Infine, l’equivalente della funzione polmonare viene svolto da una micropompa aspirante capace di regolare il proprio flusso, a seconda delle esigenze di misura.
Due valvole controllate elettronicamente permettono di alternare il flusso di misura con quello di ripulitura e calibrazione del sistema, per il ripristino delle condizioni iniziali. Infatti, per fare questo, è necessario effettuare una pulizia del materiale chimicamente interattivo posto sui recettori; questa operazione viene effettuata in pochi minuti utilizzando un flusso di aria deumidificata. Un microcontrollore svolge funzioni di controllo della logica e della tempistica necessarie per effettuare la misura con la precisione desiderata.
Compito del microprocessore è anche la gestione delle funzioni relative al controllo dei LED indicatori dello stato del sistema, il controllo delle pompe di aspirazione e delle microvalvole di flusso, e tutte le altre funzioni di stabilizzazione e di trasferimento dati al computer.
Analisi e interpretazioni
Per l’analisi dei dati e la loro interpretazione, i segnali che caratterizzano l’atmosfera circostante provenienti dai sensori, sono inviati a un microprocessore in modo che la combinazione delle risposte, ottenuta tramite un’opportuna elaborazione informatica dei segnali (pattern recognition) fornisca un’immagine olfattiva più completa possibile.
In particolare, i dati possono essere analizzati mediante una - o entrambe - le seguenti tecniche:
• analisi delle componenti principali;
• mappa auto-organizzante.
La prima consiste nel calcolare una trasformazione lineare in base alla quale i dati delle misure possono essere osservati su due o tre assi principali; il risultato è quindi una “immagine olfattiva” bi/tridimensionale. Questo tipo di elaborazione consente di ottenere buone informazioni su gruppi di misure simili, ovvero è possibile separare immagini olfattive con caratteristiche diverse e accomunare quelle simili. La mappa così ottenuta è leggibile direttamente e interpretabile in analogia al procedimento usato dall’uomo quando percepisce un odore. Il necessario confronto tra la collocazione dei gruppi di odori e i dati acquisiti in archivio (ovvero, mediante un opportuno database) consente l’interpretazione delle misure e, quindi, il riconoscimento degli odori.
La seconda tecnica sfrutta una particolare rete neurale auto-apprendente; anch’essa è in grado di creare una immagine olfattiva, ma la risposta è molto più dettagliata di quella ottenuta con la tecnica precedente. Questa rete auto-organizzantesi è costituita da una mappa che si modifica in relazione agli ingressi che riceve durante la misura. Dalla mappatura finale si ottengono informazioni relative ai vari gruppi di odori ed alle caratteristiche e diversità tra di essi.
Sviluppi futuri
Di fondamentale importanza per i possibili sviluppi industriali, è il processo di miniaturizzazione del naso elettronico: l’obiettivo ottimale è la realizzazione in un unico chip di silicio. Ma dovranno poi essere affrontati altri problemi come, per esempio, la vita media di utilizzo effettivo dei sensori, la presenza di quantità variabili di vapore acqueo nell’atmosfera, etc. I primi modelli commerciali, realizzati di recente negli Stati Uniti, erano caratterizzati da costi piuttosto elevati (circa 50.000 $) e la scarsa portabilità, sono stati principalmente indirizzati a problematiche di tipo medico-biologico e ambientale.
Marco Ardoino
Assotec Scrl (società consortile creata nel 1998, con l’intento di aprire un canale di comunicazione fra PMI e centri di ricerca scientifica). | | Olfactory images
Conceived in analogy to the function of the human nose, an electronic nose has been developed which is characterised by high precision and sensitivity in recognising and classifying odours and is applicable in various fields.
The “electronic nose”, developed at the Università di Roma -Tor Vergata, has already produced positive results in tests to measure, for example, the freshness of frozen fish and veal, and the degree of ageing in cheeses, and in tests to classify wines, mineral waters, fruit varieties and olives. However, the use of this device is not solely limited to foods; its application can be extended to many other areas, most notably the biomedical field, where it has already produced numerous positive results.
Note: the project is the fruit of a collaborative effort between the Electronic Engineering Department of the Università di Roma Tor Vergata – Sensors and Microsystems Group, directed by Prof. Arnaldo D’Amico – and the Sensors and Microsystems Project of the National Research Centre (CNR) directed by Dr. Paolo De Gasperis of the Roma-Tor Vergata Research Department.
From man to machine
The olfactory sense is characterised by a complex system of interconnected receptors and neurons, which carries signals directly to the limbic lobe of the brain. Practically speaking, an odour is perceived when airborne molecules stimulate the numerous nasal receptors, which send a signal to the brain. The brain, in turn, interprets and recognises the odour on the basis of data previously acquired and memorised.
The average human nose contains a million active receptors, while the noses of dogs or cats have as many as a hundred million and are thus approximately one hundred times more sensitive.
The electronic nose, in analogy to the nasal cavity with its receptors, is a system made up of an array of 8-10 quartz sensors contained in an enclosed chamber guaranteeing uniform interaction between the environment and the sensors. The sensors are coated with a special interactive chemical, which is non-selective for volatile substances present in the environment.
The arrangement of the sensors with respect to the airflow inside the chamber is of great importance. Each sensor must come into contact with an equal quantity of substance on both of its faces, and airflow must be as close to laminar as possible, to avoid local non-uniformities caused by vortices. A self-regulating micropump performs the function of the lungs, adjusting its flow on the basis of measurement requirements.
Two electronically controlled valves switch between measurement mode and system cleaning and calibration mode, which re-establishes initial conditions. The chemically interactive material on the receptors is cleaned in just a few minutes using a flow of dehumidified air.
A microprocessor controls the methodology and timing required to perform the measurement to the desired precision, the system state LED indicators, the aspirating micropump and flow microvalves, and all other stabilisation and data transfer functions.
Analysis and interpretation
The signals characterising the atmosphere surrounding the sensors are sent to a microprocessor, which generates an olfactory image as complete as possible via computerised pattern recognition based on the combination of the responses received.
Specifically, the data can be analysed via one or both of the following techniques:
• analysis of the principal components;
• self-organising map.
The former involves calculating a linear transformation of the measurement data onto two or three principal axes; the result is thus a two- or three-dimensional “olfactory image”. This type of elaboration provides good information on similar groups of measurements, i.e., olfactory images can be grouped according to their similarity or separated out. The map thus obtained can be directly read and interpreted analogously to the process used by people when they perceive an odour. By comparing the map locations of the group of odours and the data stored in archives (or in a database) the data can be interpreted and hence the odours can be recognised.
The second technique uses a special self-learning neural network. This too is able to create an olfactory image, but the response is much more detailed than that obtained via the previous technique. This self-organised network comprises a map that alters itself on the basis of inputs that it receives during the measurement process. The final map provides information on the various groups of odours, including their characteristics and the differences between them.
Future developments
Miniaturisation of the electronic nose is of fundamental importance for possible industrial development, with the optimal objective being to incorporate it into a single silicon chip.
But other problems will then have to be addressed such as the average effective life of the sensors, the presence of varying quantities of water vapour in the atmosphere, etc. The first commercial models, recently made in the United States, were rather pricey (around $ 50,000) and not very portable. They were used mainly for medical-biological and environmental applications.
Marco Ardoino
Assotec Scrl (Consortium company set up in 1998 with the purpose of opening up a channel of communication between SMEs and centres of scientific research) .
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In commercio, anche nasi portatili
Cyranosciences ha sviluppato, in collaborazione con il California Institute of Technology, uno strumento portatile in grado di memorizzare e successivamente riconoscere l’impronta olfattiva di una sostanza campione. Di facile utilizzo, lo strumento incorpora la pompa di campionamento dei vapori, il sensore e un potente processore per l’elaborazione dei dati. Il cuore del sistema è il sensore composto da 32 recettori elettronici, realizzati con un compound polimerico caricato con carbonio. Tale tecnologia costruttiva assicura un’elevata stabilità nel tempo, tempi di risposta rapidi e un’ottima capacità discriminante olfattiva. Il processore integrato ha il compito di comparare le impronte in memoria con l’impronta del campione misurato. Tale procedura richiede infatti l’utilizzo di complicati algoritmi di comparazione, e il processore è in grado di selezionare il più adatto per il riconoscimento della sostanza in esame; in tempi estremamente rapidi fornisce sul display l’esito della prova, indicando eventualmente il nome della sostanza riconosciuta. I settori di applicazione di questo prodotto sono innumerevoli (alimentare, packaging, chimico, ambientale, farmaceutico, medico). L’applicazione è distribuita in Italia da RD Tecnologie dei Materiali. (Mazzo di Rho, MI).
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Portable noses now selling
In cooperation with the California Institute of Technology, Cyranosciences has developed a portable tool capable of memorizing and, following that, recognising the olfactive trace of a sample substance. Easy to use, the tool incorporates a vapour sampling pump, sensor and a powerful processor for data processing. The heart of the system is a sensor made up of 32 electronic receptors with an added carbon bearing polymeric compound. The construction technology means the device is stable over a period of time, offering rapid response and an optimum olfactive discriminatory capacity. The integrated process has the task of comparing the memorised traces with the sample trace being measured. This procedure in fact requires the use of complex comparative algorithms, and the process is capable of selecting the most suited one for the recognition of the substance under examination. The results of the test including the name of the substance recognised are speedily flashed up on the display. The sectors of application of this product are numerous (food, packaging, chemical, environmental, pharmaceutical, medical). The application is distributed in Italy by RD Tecnologie dei Materiali (Mazzo di Rho, MI).
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