29 августа 2017 года, Российское информационное агентство «Агентство практической журналистики «Аквила»», Сацыперов Фёдор Игоревич.

---

Идеи использовать аналог тонкого собачьего нюха для обнаружения различных химических веществ в окружающей среде начали воплощаться по всему миру примерно два десятилетия назад. Сегодня это уже история успехов ученых, чьи практические разработки «электронного» обоняния, основанного на сложном соединении аналитического приборостроения с IT-технологиями обработки первичных данных, позволили не только принести реальную пользу людям, но и дали старт развитию рынка газоанализаторов с хорошими перспективами.

Первыми «электронными носами» как в России, так и в мире, стали газоанализаторы военного назначения, основная цель которых – обнаружение взрывчатых и отравляющих веществ. Но сама идея [измерения количественного и качественного состава смеси газов, как основной характеристики исследуемого объекта] была настолько перспективна в прикладном применении, что её, по мере возможности, начали эксплуатировать в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении, криминалистике и в быту, а также для экологического мониторинга.

В ходе различных исследований опытным путем выяснилось, что большинство исследуемых объектов (предметы, вещества или живые существа, включая людей) обладают уникальными физико-химическими параметрами, которые собаки воспринимают как запах. А если запах уникален и несет в себе много информации (о физическом состоянии объекта и его изменении с течением времени, возрасте объекта и иных физико-химических свойствах и т.д.), то расшифровка такой информации с помощью различных методов газового анализа – просто клад для исследователя.

В России первопроходцами-разработчиками газоанализаторов нового поколения стали ученые НИЯУ «МИФИ», СНПО «Элерон» и другие.

С 2012 года, в России начался резкий рост выпуска опытных образцов и прототипов газоанализаторов широкого спектра действия, а сама тема стала популярной в научно-производственной среде. Собственные разработки и образцы появились у Воронежского государственного университета инженерных технологий, Томского государственного университета, Сколково и Московского физико-технического института, и даже Высшей Школы Экономики. Четверо последних завили об успешных испытаниях приборов в этом году.

Владимир Кулагин, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ, обозначил высокую планку работы российских инженеров: «Датчиков запахов газа существует великое множество, но они все настроены на распознавание только одного определенного запаха. Новый же гаджет должен быть универсальным и способным к обучению».

Что умеют современные газоанализаторы?

Российские ученые при разработке опытных образцов всегда ориентировались на многофункциональность их последующей эксплуатации после выполнения основных функций по распознаванию взрывчатых и отравляющих веществ. Поэтому большинство российских приборов (при определенной настройке) умеет распознавать практически все известные химические вещества и их смеси.

Основной упор в работе газоанализаторов сегодня делается на безопасность людей. Например, для сверхраннего обнаружения пожара в помещении газоанализатором проводится детектирование летучих продуктов возгорания размерами 3-300 нм, образующихся на стадии нагрева изоляции электрооборудования. Данная технология позволяет существенно (в десятки раз) уменьшить время обнаружения пожароопасной ситуации и, как следствие, сохранить жизни людей и имущество. Подобную систему для обеспечения безопасности студентов и преподавателей на своей территории запустил в этом году Томский государственный университет.

Или, например, газоанализатор позволяет в ходе поисково-спасательных работ МЧС находить людей под завалами. В этом случае прибор настраивается на определение молочной кислоты, запах которой исходит от человека. И если в пробе воздуха, взятого в расщелине завала, содержится молочная кислота, значит, под завалами следует искать человека.

Большие возможности открываются и в криминалистике. Современные газоанализаторы позволяют выявлять остаточные следы веществ даже в малой концентрации. Например, можно определить взаимодействие исследуемого объекта, пусть это будет сумка, с запрещенным веществом, даже если эту сумку выстирали две недели назад, а затем продолжили ею пользоваться в обычном порядке. Аналогичным способом можно определять контакт человеческих рук с деньгами (и наоборот), с орудиями преступления, время совершения конкретных действий. Возможно и определение физического и эмоционального состояния человека по его запахам в дополнение к детектору лжи.

В этом году ученые Сколково и МФТИ создали дистанционную систему распознавания опасных веществ в воздухе. Для этого они установили на небольшой летательный аппарат-квадрокоптер миниатюрный мобильный спектрометр ионной подвижности, который может в режиме реального времени передавать на компьютер точную информацию о наличии в воздухе определённых веществ, находящихся даже в очень низкой концентрации. Данный метод позволяет качественно и количественно определять не только само вещество, но и следы его присутствия. Приборы, основанные на методе ионной подвижности, широко применяются в аэропортах по всему миру.

Интересен опыт иностранных ученых. Литовские разработчики из компании Peres уже вывели на рынок модель «электронного носа» для определения свежести продуктов под названием «FOOD Sniffer». Он реагирует на выделяемый продуктами в процессе разложения аммиак, а полученные данные и информацию о потенциальном вреде для здоровья этот «нос» также может выводить на дисплеи Android и iOS-устройств, что делает его эксплуатацию весьма привлекательной для людей. Стоимость «FOOD Sniffer» около 7,5 тысяч рублей, что делает его интересным для граждан России. Британская компания Peratech разработала миниатюрное устройство, которое можно вшить в одежду, и оно будет реагировать на летучие соединения – газы, загрязняющие окружающую среду. «Электронный нос» Peratech можно интегрировать в большинство приборов, упаковку продуктовых товаров, спецодежду, специальную автотехнику и т.п. Также устройство можно настроить на «запах» человека, благодаря изменениям которого можно диагностировать различные заболевания организма.

Российские разработчики газоанализаторов (а это несколько отдельно работающих творческих коллективов) предусмотрели развитие бытового и научного использования газоанализаторов еще в начале 2000-х годов, но до настоящего времени были заняты воплощением основной идеи – созданием наносенсорной нейроподобной системы «Электронный нос». И им это удалось.

Как работают газоанализаторы?

Устройство «Электронный нос» - многоканальная чувствительная система, представляющая собой аналитическое устройство, способное обнаружить примесь химических веществ в воздухе, разложить ее на элементарные образующие вещества, которые предварительно собраны в единую интерактивную базу данных, классифицировать эти вещества по образцу, а в случае обнаружения вещества, сведения о котором отсутствуют в базе данных, запомнить это вещество и в дальнейшем воспринимать его как один из новых образцов. Т.е., как говорят разработчики, обладать способностью самообучаться. Мультисенсорная система может сочетать в себе массив селективных и неселективных сенсоров, обладающих высокой перекрестной чувствительностью и «обученных» к распознаванию образов анализируемой смеси паров и газов. Сегодня термин «электронный нос» повсеместно используется применительно к современным типам газоанализаторов широкого спектра действия.

Современные газоанализаторы могут оперировать более, чем с 1000 образцов химических веществ (число данных в библиотеке может быть при необходимости увеличено, но на практике пока этого не требуется, так как все-таки газоанализаторы выпускаются с необходимой специализацией. Например, ориентированные на поиск отравляющих веществ или на дегустацию ароматов вин и духов), время отклика системы до выдачи конченого результата занимает около 20-30 секунд, чего вполне достаточно для работы в полевых условиях. Габаритные размеры портативных анализаторов не велики – они удобны для удержания одной рукой, их вес – менее 4 кг.

Идею использовать в газоанализаторах наносенсорную нейроподобную систему предложили в 2007 году специалисты предприятия «Элерон». А в 2017 году патент на полезную модель «Малогабаритное устройство «электронный нос» для распознавания образа запаха широкого класса химических веществ» получила Лаборатория космических исследований в области технологий, систем и процессов НИУ ВШЭ.

«Электронный нос» будет не только различать смеси газов, но и запоминать новые запахи. Нововведение ученых заключается в том, что их устройство разработано на основе твердотельных газочувствительных матриц, состоящих из полупроводниковых датчиков, с использованием быстрообучаемого нейросетевого искусственного интеллекта. Предложение исследователей позволяет достичь высокой точности при анализе смесей. Прибор может поймать запах и не суметь распознать его сразу. Тогда начинается поиск в базе данных максимально близкого запаха, определяемого по  расстоянию Хэмминга между двумя кодами, как далеко они находятся друг от друга. И искусственный интеллект прибора находит максимально близкий код к тому, который он не может опознать. Если, как говорят разработчики, образа такого запаха нет (то есть для всех нейронных сетей обнаружены большие расхождения кодов по расстоянию Хэмминга), то принимается решение об обнаружении нового, неизвестного ранее запаха.

В этом случае образ нового запаха помещается в базу данных и для данного запаха обучается новая нейронная сеть. В итоге, одновременно с автоматическим обучением новым запахам обеспечивается более точное их распознавание. Если в базе данных обнаружено два варианта близких образов запаха, то предпочтение отдается тому запаху, чей код ближе к эталонному коду по расстоянию Хэмминга (подсчитывается число совпадений разрядов в коде). Преимуществом является также возможность корректировать ошибки «электронного носа», возникающие из-за старения матрицы газочувствительных датчиков.

«Допустим, у шахтеров есть датчики на метан, и когда появляется этот газ, устройство его четко фиксирует и сообщает об опасности. Но как только датчику предстоит распознать смесь газов, вот тут и начинаются проблемы, устройство выделит метан из этой смеси, а другие газы он «не увидит». А очень часто возникает ситуация, когда именно смесь газов представляет собой опасность. Сейчас специалисты МИЭМ НИУ ВШЭ работают над алгоритмами, текстами программ, а также методикой нейросетевого распознавания запахов, позволяющими увеличить число образов распознаваемых запахов за счет обеспечения возможности оперативного обучения новому запаху с последующим размещением полученной информации в памяти устройства. По сути, нам надо научить наш прибор распознавать опасные и неопасные смеси газов и быстро их запоминать. Для этого нужно получить характеристики этого газа», - пояснил Владимир Кулагин, профессор МИЭМ НИУ ВШЭ.

Авторами полезной модели являются Кулагин Владимир Петрович (заведующий лабораторией космических исследований МИЭМ НИУ ВШЭ), Иванов Александр Иванович (заведующий лабораторией Пензенского научно-исследовательского электротехнического института), Шустров Александр Викторович (заведующий лабораторией ООО «ПТЦ УралАлмазИнвест») и Курочкин Роман Игоревич (магистрант 2-го курса МИЭМ НИУ ВШЭ).

Полезная модель разработана в рамках реализации проекта «Разработка нового поколения быстро обучаемых средств нейросетевого распознавания широкого класса химических веществ (высокоинтеллектуального искусственного носа) на основе твердотельных газочувствительных матриц».

Нюх на болезни и бактерии

По прогнозам экспертов рынок газоанализаторов будет расти в ближайшие десятилетия. В основном – его бытовая часть. Эксперты отмечают, что с повышением интереса обычных граждан к использованию в повседневной жизни дополнительных функций гаджетов (таких как, дистанционное регулирование температурного режима и управление освещением в помещениях через смартфон или подключение фитнес-трекеров к мобильному устройству и т.д.) будет расти и потребность в дополнительной автоматизированной информации, получаемой от бытовых приборов на мобильные. Например, через сколько минут будет готово то или иное блюдо, или когда закончится срок годности у определенных продуктов в холодильнике. Подобный технический прогресс был предсказан еще лет 10 назад, но сегодня эти предположения становятся реальностью. В новом мире найдется место и бытовым газоанализаторам. Газоанализаторы станут частью сложных технических устройств. Производители техники будут интегрировать газоанализаторы в холодильники (без них автоматическое измерение срока годности продукта невозможно), в кухонные духовые шкафы (для автоматического определения готовности блюд), в автомобили (например, для запрета управления в нетрезвом состоянии). Таким образом, основными заказчиками бытовых газоанализаторов станут крупные промышленные предприятия, что создаст условия для стабильного производства самих газоанализаторов.

Но самым перспективным направлением является использование газоанализаторов в медицине для диагностики болезней. Такого мнения придерживается д.т.н., профессор кафедры МИФИ Вячеслав Першенков, один из авторов-разработчиков ионно-дрейфового детектора.

Сегодня ученые уже научились с помощью масс-спектрометрии, хроматографии и других методов, используемых в газоанализе, распознавать рак легких и рак молочной железы, заболевания дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы и другие заболевания по выдыхаемому человеком воздуху. Например, давно известно, что запах ацетона изо рта может свидетельствовать о сахарном диабете или тиреотоксикозе, или речь может идти о почечной недостаточности. А рак легкого, как и астма, как и муковисцидоз, определяется по закислению выдыхаемого конденсата. Больной человек, выдыхая, выбрасывает в воздух мельчайшие следы раковых частиц, обладающие специфическими химическими и физическими свойствами, которые газоанализатор воспринимает как запах. Их характеристики анализируются прибором и уже через 25−30 секунд после выдоха пациента на экран выводятся результаты анализа. У каждой болезни – свой специфический набор выделяемых организмом ароматических веществ, поэтому распознавание будет точным. Так как газоанализатору достаточно только одной молекулы вещества для его распознавания, то, соответственно, с помощью газоанализаторов, возможно определять заболевания на их начальной стадии – что является основной задачей медицины будущего.

«Производство большого количества дешевых и экономичных датчиков газов может создать предпосылки для широкого экологического мониторинга окружающей среды, контроля технологических процессов и ранней медицинской диагностики. Многообещающими являются перспективы использования датчиков газов в медицине, например, при наблюдении и лечении сахарного диабета, для диагностики некоторых других болезней по составу выдыхаемого воздуха и т. п.», - полагает Николай Долгополов, автор разработок газоанализаторов в компании «Элерон».

В России подобная целенаправленная работа также ведется специалистами НИЯУ «МИФИ» и Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова Минздрава России. Многофункциональный ионно-дрейфовый детектор «Кербер» сейчас служит не только у российских военных, во имя безопасности людей, но и проходит опытную эксплуатацию в одной из клиник, где с его помощью врачи, по выдыхаемому пациентами воздуху, определяют различные заболевания.

Свою разработку также в этом году представил инженер-исследователь из Томского государственного университета Тимур Муксунов. Его «электронный нос» способен оценивать бактериологическую безопасность и качество пищевой, косметической и медицинской продукции, диагностировать заболевания по выдыхаемым человеком газам и распознавать взрывчатку и наркотики. Разработка полностью готова и находится на стадии проверки эффективности.

«Запах определяется совокупностью имеющихся в атмосфере газов. Установлено, что проводимость полупроводникового датчика изменяется при осаждении молекул газа из атмосферы. Это и позволяет определять их присутствие», — поясняет Муксунов. В ходе одного из серии рабочих экспериментов ученые определяли свежесть овощей и фруктов. Они выделяют сероводород, аммиак и другие газы, и чем ближе срок списания продукции, тем больше этих газов в воздухе.

«Мы исследовали яблоки: контрольную часть положили в холодильник, а остальные оставили в помещении при комнатной температуре, — рассказал Тимур Миксунов. — По истечении 12 часов при помощи установки удалось выявить, что вторая часть выделяет газы интенсивнее, чем контрольная. Сейчас на овощных базах прием продукции совершается по органолептическим показателям, а при помощи создаваемого устройства можно будет точнее определять срок годности продукции, что скажется на ее качестве».

В 2014 году проект Тимура Муксунова «Мультисенсор для газовой диагностики и логистики плодоовощных продуктов» получил грант по программе «УМНИК», реализуемой Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Именно такого прибора давно ждут специалисты эпидемиологического надзора. «Из потенциальных специфических направлений применения современных IT-технологий можно назвать экологический мониторинг - в России уже сегодня выпускаются мобильные экологические лаборатории для контроля атмосферного воздуха. По-видимому, они могут рассматриваться как прототип будущей сети мобильных и автоматизированных станций мониторинга окружающей среды - воздуха, водоёмов, почвы. А портативные мобильные устройства, установленные на беспилотниках, дистанционно управляемых плавсредствах, вездеходах позволят оперативно получать данные при подозрении на любое неблагополучие (лесные пожары, промышленные выбросы в атмосферу, сбросы отходов в водоёмы и т. д.). Кроме того, представляется актуальным мониторинг обычной микросреды обитания человека с помощью портативных датчиков», - пояснил д.м.н. Владимир Леванов, сотрудник ФГБОУ ВО «Нижегородская государственная медицинская академия» Минздрава России.

«Электронный нос» – универсальный детектор

Можно утверждать, что рынок газоанализаторов в России является перспективным для инвестиций. Российские компании обладают уникальными разработками, не уступающими зарубежным, а иногда и превосходящими их по своей функциональности. Газоанализаторы доказали свою эффективность в самых важных для человека сферах жизнедеятельности, обеспечивая его безопасность как от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного и криминального характера, так и от внутренних врагов – болезней и их возбудителей. Примеры показывают, что запрос на широкое применение газоанализаторов уже сложился. Теперь главная задача производителей – максимально приблизить полезный товар к его конечному потребителю, существенно снизив стоимость товара (от 6-10 тысяч рублей до приемлемых 1-5 тысяч рублей) и его массогабаритные характеристики (от 4 кг до нескольких сотен граммов) при увеличении его возможностей (газоанализаторы должны быть многоканальными, т.е. обладать такими же свойствами, как и приборы, используемые службами безопасности) по распознаванию часто встречающихся в быту запахов и их смесей.

Момент, когда газоанализаторы станут таким же обыденным средством контроля за благополучием окружающей среды, наряду с привычными всем термометрами, барометрами и гигрометрами, определит время – сегодня его отодвигает экономическая ситуация в стране и в мире, но это время неизбежно настанет. И оно уже близко.

Федор Игоревич Сацыперов