Elektrooniline nina hakkab nuusutama, kas toit kõlbab või millised haigused on õhus

Norra teadlaste leiutatid nina nuusutab õuna. Kui selles on juba mingid lagunemisprotsessid käivitunud, mis võivad haigusi tekitada, hakkab seade hoiatama. Foto: Mads Wang-Svendsen / NTNU

Ajalooliselt on lõhna abil määratud sellisei haigusi nagu katk ja tuberkuloos, kuid inimese nina ei ole tavaliselt piisavalt tundlik, et seda usaldusväärse diagnoosivahendina kasutada. Kuid nüüd võib tehislik nuuskija, mis on inspireeritud meie haistmismeelest, avastada haigusi, ohtlikke gaase ja riknevat toitu. Seda kõike saab teha juba olemasolev tehnoloogia.

Uus Norra teadlaste leiutatud andur põhineb nii-öelda antennisüsteemil.

Mis ühendab mobiiltelefoni, arvutit ja telerit? Muidugi antennid. Telekommunikatsiooni professor Michael Cheffena Norra Teaduse ja Tehnoloogia Ülikoolist (Norwegian University of Science and Technology ehk NTNU) Gjøvikis usub, et sedasama tehnoloogiat saab kasutada palju enamaks kui ainult kommunikatsiooniks. 

Tema sõnul võib antennidele sensoorseid funktsioone andes olemasolevat taristut kasutada uutes rakendusvaldkondades.

Lihtsaim lahendus on sageli parim

Cheffena selgitas, et varasemad katsed luua niinimetatud «elektroonilisi ninasid» pole kasutanud juba olemasolevat infrastruktuuri. Samuti on nendel tehnoloogiatel olnud mitmeid probleeme, mida antennitehnoloogia võib lahendada.

«Teised elektroonilised ninad võivad sisaldada sadu andureid, mis on sageli kaetud erinevate materjalidega. See muudab nende töö äärmiselt energiakulukaks ja tootmise kalliks. Lisaks kaasneb suur materjalikulu. Vastupidiselt sellele koosneb antenniandur ainult ühest antennist, millel on üks kattematerjal,» selgitas Cheffena artiklis.

Doktorant Yu Dang, kes on peamine autor hiljuti ajakirjas Sensors and Actuators B: Chemical avaldatud uurimuses uue «antenninina» kohta, väidab aga hoopis seda, et taoline lihtne lahendus on isegi parem, kui keerukad senised andurid.

Milline on bensiini ja värskelt niidetud rohu lõhn?

Dang selgitas, et nende andur suudab eristada erinevaid gaase 96,7-protsendilise täpsusega. See tulemus on võrreldav parimate elektrooniliste ninadega ja mõnes valdkonnas isegi nendest etem.

Antenniga nina on lihtne ja täpne. See ei vaja kallite materjalidega kaetud erinevaid andureid, vaid kasutab antenni, millega tagasipeegeldunud erineva sagedusega signaale analüüsides leitakse, mis on õhus. Foto: teadustöö / NTNU

Antenninina töötab järgmiselt: antenn edastab raadiosignaale erinevatel sagedustel ümbritsevasse keskkonda. Seejärel analüüsitakse, kuidas need tagasi peegelduvad. Signaalide käitumine muutub sõltuvalt gaaside olemasolust õhus ja kuna antenn edastab mitme sagedusega signaale, loovad muutused unikaalseid mustreid, mis on seotud teatud lenduvate orgaaniliste ühenditega.

Lenduvad orgaanilised ühendid on õhus tavaliselt esinevad gaasid, mida iseloomustab madal keemispunkt. See tähendab, et need kipuvad aurustuma madalatel temperatuuridel.

Kuigi neid ei näe ega tunne, on nende lõhn siiski tajutav.

Õhus lendleb taimede signaale

Kõik elusorganismid, sealhulgas taimed, eritavad lenduvaid orgaanilisi ühendeid sageli kaitsemehhanismina kahjurite vastu või suhtlemiseks teistega.

Näiteks on värskelt niidetud rohu lõhn hästi tuttav. Sama kehtib ka bensiiniaurude kohta, mida levitab muruniiduk.

Paljud tooted ja materjalid, mida me igapäevaselt kasutame, eraldavad samuti lenduvaid orgaanilisi ühendeid. See muudab oluliste gaaside eristamise ebaolulistest keeruliseks. Dang rõhutas, et ülesanne muutub veelgi keerulisemaks, kui arvestada ka isomeeridega.

«Isomeerid on keemilised ühendid, millel on sama molekulaarne valem, kuid kus aatomid on seotud veidi erineval viisil,» selgitas ta. Teadlaste sõnul on need nagu kaksikud: väga sarnased, kuid mitte identsed.

«Need ühendid on selle tüüpi anduritehnoloogia jaoks kaua olnud suureks väljakutseks. Isegi kõige keerukamad e-ninad, mis koosnevad paljudest erinevatest anduritest, ei suuda neid eristada,» märkis Dang.

Võimalik tulevikus haigusi avastada

Seni on seda tehnoloogiat katsetatud kahjustatud viljade ja erineva vanusega liha peal. Kohandades algoritme, mis tuvastavad erinevate gaaside unikaalsed «sõrmejäljed», usuvad teadlased, et seda tehnoloogiat saab tulevikus kasutada ka haiguste «nuusutamisel».

«Lenduvad orgaanilised ühendid lubavad treenitud koertel avastada tervisele ohtlikke muutusi veresuhkrus ja selliseid haigusi nagu vähk, nii et põhimõte on suuresti sama,» ütles Dang.

Erinevalt koertest aga ei vaja antenniandur kuudepikkust treeningut ega eriväljaõppega kasutajaid. Põhitehnoloogia on juba praegu olemas kasvõi sinu elutoas.

Antennitehnoloogia uued sensorirakendused võivad avada võimalusi haiguste varajaseks diagnoosimiseks ja ohtlike gaaside tuvastamiseks. Eesmärk on muuta juba olemasolev tehnika veelgi võimekamaks, pakkudes lihtsamat ja odavamat lahendust, võrreldes tänapäevaste elektrooniliste ninadega.