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 разных стран, чьи практические разработки «электронного» обоняния позволили не только принести реальную пользу людям, но и дали старт развитию рынка газоанализаторов с хорошими перспективами.

О достижениях мировой науки и о том, в чём российские разработки перспективнее иностранных – в данной статье.

---

---

Первыми «электронными носами» по всему миру 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. Данная технология используется сегодня российскими военными в Сирии.

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), орудиями преступления, время происшествия конкретных событий. Возможно определение физического и эмоционального состояния человека по его запахам в дополнение к детектору лжи. В Испании специалисты Мадридского политехнического университета создали анализатор, распознающий людей по их запаху. Спектрометр способен проанализировать соотношение между различными компонентами индивидуального запаха, и обучен тому, чтобы отфильтровывать посторонние запахи — например, крема для рук, табака или духов. Это значит, что для любого человека можно разработать «ароматическую подпись», математическую расшифровку которой предлагается включить в биометрический паспорт. Если человек болен, его запах также может измениться — и в конструкции устройства это тоже учтено. Изобретатели надеются, что очень скоро метод ароматической дактилоскопии человека заменит собой как традиционную дактилоскопию, так и сканирование радужной оболочки глаза, результаты которых научились подделывать.

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, однако использованный прибор отличается по принципу действия. Подобный подход позволит быстро и без риска определить факт нахождения отравляющих или взрывчатых веществ в любой точке мира еще до их применения.

Но наибольший интерес для людей представляют прикладные «гражданские» возможности газоанализаторов. 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. 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.

Расстояние Хэмминга — число позиций, в которых соответствующие символы двух слов одинаковой длины различны. В общем случае расстояние Хэмминга служит метрикой различия (функцией, определяющей расстояние в метрическом пространстве) объектов одинаковой размерности.

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. Основная техническая задача на данный момент состоит в том, что нам надо 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».

Перспективы российского рынка газоанализаторов

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.

«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 мировой практике такие примеры уже есть. В Израиле, на факультете инженерной химии университета «Технион» г. Хайфа, изобрели прибор, размером меньше булавочной иголки, позволяющий определять наличие раковых клеток в организме человека. Больной человек, выдыхая, выбрасывает в воздух мельчайшие раковые частицы, обладающие специфическими химическими и физическими свойствами, которые прибор воспринимает как запах. Их характеристики анализируются на основании определения длины электроволн с помощью специальных чипов. Чипы распознают вид раковых клеток и их местонахождение. Уже через 25−30 секунд после выдоха пациента на экран выводятся результаты анализа. По результатам диагностики детектор признан эффективным и рекомендовано его массовое производство.

Ученые из США разработали прибор для лабораторной диагностики заболеваний. Устройство распознает в выдыхаемом воздухе характерные биомолекулы, которые помогают диагностировать диабет и многие другие заболевания и состояния. Инженеры из Университета Техаса в Далласе заявляют, что их революционная технология отличается не только простотой и доступностью, но и универсальностью: работа устройства основана  на использовании ротационного спектрометра, генерирующего и передающего электромагнитные волны разной частоты. Для создания искусственного носа были широко применены интегральные схемы от уже существующих смартфонов и планшетов, а значит - этот продукт практически не потребует налаживания производства новых деталей.

В России подобная целенаправленная работа также ведется специалистами НИЯУ «МИФИ» и Первого Московского государственного медицинского университета им. И.М. Сеченова Минздрава России. Можно определенно говорить о том, что при многих заболеваниях дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, сердечно-сосудистой системы, при сахарном диабете, а также при онкологических заболеваниях в выдыхаемом воздухе меняется концентрация многих веществ в зависимости от изменений клеточного метаболизма при патологии. В настоящее время в качестве эксперимента в клинической медицине применяется ионно-дрейфовый детектор (используемый сегодня российскими ВКС в Сирии). С его помощью в выдыхаемом пациентом воздухе определяются основные биологические маркеры, по состоянию которых можно определить болезнь и её ход. Работа по развитию лабораторной диагностики с помощью газоанализаторов в медицине ведется и сегодня.

Цена вопроса

Тема массового вывода на рынок полезной продукции - самая болезненная тема для российских изобретателей, инвесторов и промышленников. Существует два вектора, по которым развивается рынок газоанализаторов: часть рынка газоанализаторов в России развивается на целевые государственные поступления (субсидии), и появилась потребность приблизить к народонаселению страны такие полезные возможности приборов – как определение свежести продуктов (например, чтобы потребитель, придя в магазин, мог с помощью личного прибора проверить свежесть продуктов или постоянно контролировать состояние продуктов в домашнем холодильнике) или состояния окружающей среды (возможно изготовление  индивидуальных газоанализаторов для использования в качестве средств индивидуальной защиты при выполнении опасных работ и т.д.). Но при всей очевидности сложившихся благоприятных условий на российский рынок данные модели не поступают и их выход на рынок в ближайшее время также не планируется. По этой же причине газоанализаторы пока не получили широкого применения в системах безопасности в местах большого скопления людей.

С одной стороны сами разработчики говорят о высокой стоимости приборов. Действительно, цена одного газоанализатора (для обеспечения безопасности в общественных местах и на предприятиях) на рынке составляет от 500 до 1800 тыс. рублей. Представленные на рынке газоанализаторы коммунального назначения для граждан умеют только изменять уровень выхлопных газов в помещении или утечку пропана (стоят около 6-10  тыс. рублей и по документам также считаются российской инновационной продукцией, что уже кажется весьма смешным с учетом того, что реально инновационными являются самообучающиеся газоанализаторы). Более продвинутые модели бытовых газоанализаторов определяют доли оксида и диоксида углерода, кислорода, метана, пропана, оксида азота и диоксида серы в смеси с азотом, воздухом и других невзрывоопасных смесях; проводят измерения температуры окружающей и анализируемой сред, избыточного давления (разряжения) и скорости газового потока в точке отбора проб (стоимость от 40 тыс. руб. и более).

Сегодня сочетание «бытовой газоанализатор» уже приобрело иной смысл, существенно расширив область применения (каждая хозяйка хочет знать, не подпортились ли у неё грецкие орехи и бытовой газоанализатор должен помочь ей в решении этого простого вопроса). Российский рынок пока не готов к этим изменениям, что на руку конкурентам. С другой стороны литовцы уже выпустили свой «бытовой» «FOOD Sniffer» с весьма конкурентной стоимостью – около 130 долларов США (приблизительно 7,5 тыс. руб. против 9 тыс. руб. в момент выхода модели на рынок три года назад). А американцы используют в газоанализаторах типовые чипы массового производства, что также снижает стоимость бытового газоанализатора. Значит, подобные возможности есть и у российской стороны, раз массовое производство бытовых газоанализаторов возможно. Бытовому газоанализатору не нужна система самообучения, будет достаточно определять основные простые вещества, с которыми человек сталкивается каждый день.

Но реалии таковы, что инновационные изобретения в России есть, есть даже опытные образцы и полезные модели, но внедрения изобретений, выходящих за рамки государственного заказа на обеспечение безопасности – нет. Зато есть у наших иностранных конкурентов на мировых рынках. Меры государственной инновационной политики в случае с выводом на рынок российских газоанализаторов бытового назначения и массового применения для обеспечения безопасности в местах скопления людей (школы, больницы, общественные места и транспорт, метрополитен) почему-то не работают в полной мере. Значит что-то не так с организацией не только бизнеса, но и промышленного производства в нашей стране. И сложившаяся ситуация, когда есть и желание и возможности, а массовый результат стабильно отсутствует, требует скорейшего разрешения, иначе технологическое отставание в области массового производства в России неизбежно будет нарастать.

 

Продолжение следует. В следующей статье будет рассмотрен механизм вывода на рынок современных газоанализаторов, раскрыты проблемы, мешающие этому шагу сегодня, и даны некоторые рекомендации по преодолению таких проблем.  

 

Сацыперов Фёдор Игоревич