Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Зоологический подход и искусственное обоняние

Ключевые слова:  МГУ, сенсоры

Автор(ы): Пресс-служба МГУ

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

24 ноября 2020

По сообщениям Пресс-службы МГУ, ученые химического факультета и НИИЯФ МГУ имени М.В. Ломоносова сумели повысить способность искусственного обоняния идентифицировать близкие по химическим свойствам газы - метан и пропан. Ключом к успеху стал подход к обработке данных химических сенсоров, ранее применявшийся для анализа эволюционного родства животных, ископаемых видов, а также предков человека.

Лабораторный образец искусственного обоняния оказался способен отличить метан от пропана в концентрации от 40 до 200 молекул газа на миллион молекул обычного уличного воздуха в условиях его переменной влажности и наличия фоновых загрязнителей. При этом ошибка идентификации газа составила менее 10%. Результат работы опубликован в журнале Sensors and Actuators B: Chemical.

Разработка, действующая на таком уровне точности, может пригодиться на предприятиях химической промышленности, объектах энергетической инфраструктуры, а также для экологического контроля и мониторинга, при оценке качества воздуха в жилых и рабочих помещениях, контроля технологических процессов в пищевой индустрии, неинвазивной персонализированной медицинской диагностике и многом другом. Искусственный нос из МГУ основан на усовершенствованных полупроводниковых газовых сенсорах на основе оксидов металлов.

Первые такие системы появились достаточно давно. Впервые они были коммерциализированы в Японии в 80-х годах прошлого века, где позволили существенно сократить ущерб от пожаров из-за неправильного использования бытового газа. «Сегодня развитие технологии машинного обучения позволяет преодолеть фундаментальное ограничение в применении подобных сенсоров и в других областях, а именно – низкую селективность, – рассказывает руководитель научного коллектива, старший научный сотрудник Лаборатории химии и физики полупроводниковых и сенсорных материалов химического факультета МГУ Валерий Кривецкий. – В своей работе мы в некотором смысле имитируем принцип работы обоняния человека и животных, согласно которому химический сигнал от обонятельных рецепторов передаётся в соответствующую область головного мозга, где и происходит распознавание запаха и определение интенсивности. Огромным достоинством сенсоров, на основе которых сделана наша система искусственного обоняния, стала чрезвычайная миниатюрность, простота регистрации сигнала и низкое энергопотребление. Всю эту систему можно сегодня без труда встроить в смартфон или какой-нибудь гаджет», – добавил ученый.

Лабораторный образец устройства искусственного обоняния использует в своей работе полупроводниковые газовые сенсоры на основе диоксида олова. Данный материал изменяет своё электрическое сопротивление при контакте с молекулами газов за счет протекания химических процессов на его поверхности. Ученые применили новаторский способ получения газочувствительных материалов, основанный на сжигании аэрозоля металл-органических прекурсоров. Это позволило получить диоксид олова в виде порошка с очень высокой удельной площадью поверхности контакта воздушной средой. Кроме того, данный подход позволил эффективно ввести в состав газочувствительного материала небольшие концентрации каталитических компонентов – золота и палладия, суммарно менее 0,5% по массе. Сочетание высокой удельной площади поверхности с гомогенным распределением катализаторов в виде субнанометровых частиц позволило добиться чрезвычайно высокой чувствительности полупроводниковых оксидов к широкому спектру газов.

«Структуры с такой развитой поверхностью склонны со временем деградировать, особенно в ходе работы при повышенных температурах, что сопровождается искажением сенсорного отклика. Дополнительную трудность для систем искусственного обоняния, работающих с использованием машинного обучения, представляет реальный городской воздух, обладающий переменной влажностью, содержащий примеси, некоторые из которых могут в буквальном смысле отравлять поверхность чувствительного элемента. Эти факторы могут существенно снизить правильность определения газов», – добавляет Александр Ефиторов, научный сотрудник Лаборатории адаптивных методов обработки данных НИИЯФ МГУ, соавтор публикации.

В ходе работы три сенсора на основе диоксида олова с разным содержанием катализаторов периодически нагревались до температуры 500 градусов Цельсия и охлаждались до 150 градусов. Такой режим работы позволяет использовать различия в химической активности газов – их способности участвовать в химических реакциях на поверхности нанокристаллов оксида и вызывать изменение его электропроводности. Так создается виртуальный массив рецепторов системы искусственного обоняния, поступающие с которого данные могут быть математически обработаны с целью выделения вклада того или иного газа или их смеси в изменение электрического сопротивления материалов. «Для очистки исходных данных от фоновых компонентов мы перевели исходные графики зависимости абсолютных значений электрического сопротивления сенсоров от температуры в пространство форм. Ученые используют такой подход, чтобы корректно математически сравнивать между собой разные целевые группы биологических объектов, каждый из которых обладает индивидуальными особенностями. Так исследуют строение белков, связанные с заболеваниями изменения внутренних органов или, например, различия формы костей скелетов родственных биологических видов», – говорит Ефиторов.

Предварительно обработанные данные дальше подавались на вход глубокой нейронной сети. В итоге система оказалась способна в реальном времени выдавать ответ о содержании метана и пропана в воздухе, поступающем на сенсорный массив. «Ещё одной особенностью работы стало то, что мы использовали полностью независимые массивы данных для тренировки системы искусственного обоняния в течение 6 дней и для последующего тестирования эффективности её работы в течение двух месяцев», – добавил Александр Ефиторов.


В статье использованы материалы: Пресс-служба МГУ


Средний балл: 10.0 (голосов 2)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Удивительные ленты диоксида олова
Удивительные ленты диоксида олова

NAUKA 0+ Фестиваль науки в Москве
8-10 октября в Москве проходит Фестиваль науки NAUKA 0+. В этом году фестиваль соберёт учёных со всех шести континентов нашей планеты, лучших исследователей из России, лауреатов государственных премий, молодых учёных, и, конечно, лауреатов Нобелевской премии.

Названы лауреаты Нобелевской премии по химии
Нобелевскую премию по химии за 2021 год присудили Бенджамину Листу и Дэвиду Макмиллану за разработку методов асимметричного органокатализа

Названы лауреаты Нобелевской премии по физике
Нобелевскую премию по физике за 2021 год присудили трем ученым — Сюкуро Манабе, Клаусу Хассельману и Джорджио Паризи.

Материалы к защитам выпускных квалификационных работ бакалавров ФНМ МГУ 2021
Коллектив авторов
Защиты выпускных квалификационных работ (квалификация – бакалавр материаловедения) по направлению 04.03.02 - «химия, физика и механика материалов» на Факультете наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова состоятся 8, 9, 10 и 11 июня 2021 г. Начало защит в 11.00. Защиты пройдут с использованием дистанционных образовательных технологий.

Академик Е.Н. Каблов: «Для освоения космоса нужны новые материалы»
Янина Хужина
В этом году весь мир отмечает 60-летие первого полета человека в космос. Успех миссии Юрия Гагарина стал возможен благодаря слаженной работе многих людей: физиков, математиков, конструкторов, инженеров-проектировщиков и, конечно, материаловедов. «Научная Россия» обсудила с академиком РАН Евгением Кабловым основные вехи в развитии космического и авиационного материаловедения.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2021 году
коллектив авторов
25 - 28 мая пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками Факультета наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова.

Эра технопредпринимательства

В эпоху коронавируса и борьбы с ним в существенной степени меняется парадигма выполнения творческих работ и ведения бизнеса, в той или иной мере касаясь привлечения новых типов дистанционного взаимодействия, использования виртуальной реальности и элементов искусственного интеллекта, продвинутого сетевого маркетинга, использования современных информационных технологий и инновационных подходов. В этих условиях важным является, насколько само общество готово к использованию этих новых технологий и как оно их воспринимает. Данной проблеме и посвящен этот небольшой опрос, мы будет рады, если Вы уделите ему пару минут и ответите на наши вопросы.

Технопредпринимательство в эпоху COVID-19

Небольшой опрос о том, как изменились подходы современного предпринимательства в контексте новых и возникающих форм ведения бизнеса, онлайн образования, дистанционных форм взаимодействия и коворкинга в эпоху пандемии COVID - 19.

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.