Tässä blogikirjoituksessa tarkastellaan, kuinka ihmisen hajuaistia jäljittelevä elektroninen nenätekniikka havaitsee hajuja ja miten se muuttaa teollisuutta ja terveydenhuoltoa.
Joku kävelee kahvilan ovesta sisään ja häntä tervehtii tunnistamattoman, katkeran kahvin tuoksu. Mutta hän huomaa nopeasti, että kahvi on Blue Mountain -papuja Jamaikasta. Kuka on tämä henkilö, joka tunnistaa kahvin tyypin niin lyhyessä ajassa? Yleinen vastaus olisi barista, mutta tässä hänen henkilöllisyytensä on elektroninen nenä tai e-nenä. Elektroninen nenä on elektroninen laite, joka jäljittelee ihmisen hajuaistia ja jota käytetään erottamaan eri hajuja ja analysoimaan niiden koostumusta. Tähän asti kamerat ja tallentimet ovat tallentaneet näkömme ja kuulomme sähköisiksi signaaleiksi. Elektronisen nenän tulo tarkoittaa, että ihmisen hajuaisti voidaan tallentaa myös sähköisenä signaalina.
Elektronisen nenän myötä tieteen ja teknologian kehitys on avannut uusia mahdollisuuksia aistiemme tarkempaan mittaamiseen ja hyödyntämiseen. Hajuaisti jää usein huomiotta jokapäiväisessä elämässämme, mutta sillä on erittäin tärkeä rooli. Se on olennainen aisti ruoan maistamisessa, ja se on myös tärkeä osa muistia ja tunteita. Elektronisen nenän kehitys on huomionarvoista, koska sen avulla voidaan teknologisesti laajentaa hajuaistin roolia.
Elektroniset nenät on suunniteltu jäljittelemään ihmisten tapaa havaita hajuja. Ihmisen hajuhavaintoprosessi sisältää kolme päävaihetta. Ensin hajumolekyyli sitoutuu hajureseptoriin, sitten tämä sitoutuminen välittyy aivoihin sähköisenä signaalina ja lopuksi aivot analysoivat signaalin ja tunnistavat hajun. Nenässä on noin 390 hajureseptoria, jotka ovat ensimmäinen askel hajun tunnistamisessa. Mitä tapahtuisi, jos yksi hajureseptori voisi sitoa vain yhden hajumolekyylin? Meillä on vain 390 erilaista hajua! Joten voidakseen haistaa erilaisia hajuja, yhden hajureseptorin on kyettävä sitomaan useita samanlaisia hajumolekyylejä. Eri molekyylien erottamiseksi hajureseptori lähettää aivoihin sähköisen signaalin eri vahvuuksilla riippuen sitoutuneen molekyylin tyypistä. Aivot, jotka vastaanottavat sähköisiä signaaleja, kuvioivat eri sähköiset signaalit eri hajureseptoreista mosaiikiksi ja tunnistavat kuvion yhdeksi hajuksi. Tämän prosessin avulla ihmiset pystyvät erottamaan yli 10,000 XNUMX erilaista hajua.
Kykymme tunnistaa niin monia erilaisia hajuja on evoluution tuote ja sillä on ollut tärkeä rooli selviytymisessämme. Luonnossa saatoimme haistaa haitallisia aineita tai pilaantunutta ruokaa ja välttää niitä sekä tunnistaa syötävät luonnonvarat kukkien ja hedelmien tuoksusta. Tämän hajukyvyn jäljittäminen tekniikan avulla on enemmän kuin pelkkä käyttömukavuus; sillä on vaikutuksia teollisiin ja lääketieteellisiin sovelluksiin.
Elektroniset nenät sisältävät erilaisia tekniikoita, jotka jäljittelevät ihmisen hajuaistia. Ensinnäkin tähän mennessä kehitetyt e-nenät käyttävät samaa prosessia kuin ihmisen nenä, joka sisältää hajumolekyylien sitoutumisen hajureseptoreihin. Aiemmin elektronisia hajureseptoreita käytettiin sellaisista syistä kuin reseptorien säilyminen. Viime vuosina tutkijat ovat kuitenkin työskennelleet aktiivisesti elektronisten nenojen parissa, jotka käyttävät todellisia ihmisen hajureseptorisoluja toistamaan ihmisen hajuaistia. Ihmisen hajureseptorisoluilla on kuitenkin merkittävä haittapuoli: niiden elinikä on vain noin 60 päivää. Siksi on välttämätöntä pystyä viljelemään suuria määriä hajureseptorisoluja lyhyessä ajassa, jolloin geneettinen rekombinaatioteknologia astuu esiin. Geneettinen rekombinaatio on tekniikka, jossa halutun solun geeni leikataan pois solun DNA:sta ja lisätään nopeasti replikoituvan solun DNA:han, jolloin voit kasvattaa nopeasti suuria määriä haluttuja soluja. E. colia käytetään yleisesti tässä tekniikassa sen uskomattoman DNA:n replikaationopeuden hyödyntämiseksi. 20 minuutin välein E. coli jakautuu kaksinkertaistaen DNA-geeninsä, mikä on erittäin nopeaa, ja vain 2 tunnin ja 20 minuutin kuluttua DNA on yli 1000 kertaa alkuperäiseen verrattuna. Geneettinen rekombinaatio E. colissa antoi meille mahdollisuuden saada hajureseptoreita nopeasti ja suuria määriä. Tämän ansiosta e-nenä pystyi voittamaan hajureseptorien lyhytaikaisen luonteen.
Aivan kuten ihmiskehon hajureseptorit sitoutuvat hajumolekyyleihin ja lähettävät sähköisiä signaaleja aivoihin johtojen kautta, joita kutsutaan hermosoluiksi, elektroniset nenät tarvitsevat materiaaleja, jotka voivat toimia johtoina. On olemassa useita materiaaleja, jotka voivat tehdä tämän, mukaan lukien hiilinanoputket, johtavat polymeerinanoputket ja mikroelektrodiryhmät (MEA), joista hiilinanoputkia tutkitaan aktiivisimmin. Hiilinanoputket ovat erittäin mikroskooppisia putkia, joiden halkaisija on noin 1 nm ja jotka koostuvat yhdestä hiilikerroksesta, joka tekee niistä johtavia. E-nenissä hajureseptorit on sidottu hiilinanoputkiin, jotta reseptorien lähettämät sähköiset signaalit voivat kulkea nanoputkia pitkin antureille, jotka analysoivat sähköisiä signaaleja.
E-nenän tutkimus etenee päivä päivältä ja niiden sovellukset laajenevat. Tähän mennessä vain kaksi hajureseptoria on onnistuneesti tuotettu massatuotantona: toinen, joka havaitsee banaanin tuoksun ja toinen happaman tuoksun. Eri hajureseptoreista tulevien sähköisten signaalien monimutkaisten kuvioiden analysointia ei ole tutkittu hyvin. Mutta se on alku. Kun teknologia on käytössä useiden hajureseptoreiden massatuotantoon, tutkimus voi kukoistaa. Tällainen tutkimus parantaisi elektronisten nenän tarkkuutta ja antaisi perustan eri hajujen tarkalle erottelulle. Tässä tekoälyteknologian (AI) käyttöönotto on välttämätöntä, koska on välttämätöntä syntetisoida erityyppisiä sähköisiä signaaleja ja tunnistaa ne malleiksi. Kun olemme keränneet tietoja siitä, mitkä sähköisten signaalien yhdistelmät tuottavat tiettyjä hajuja, elektroniset nenät pystyvät erottamaan useimmat hajut.
Tällä hetkellä elektroniset nenät voivat haistaa yli 10 kertaa paremmin kuin ihmisen nenä. Tämä osoittaa, että e-nenän havaitsemien hajujen herkkyys on ylittänyt ihmisten rajat. Siksi e-nenät voivat edistää merkittävästi yrityksiä, jotka pohjimmiltaan hyödyntävät kahvin, hajuveden, viinin jne. tuoksua. Lisäksi tätä e-nenän kykyä voidaan soveltaa myös maataloussektorilla. Sitä voidaan käyttää esimerkiksi hedelmien tuoreuden tarkistamiseen tai viinin ikääntymisvaiheen arvioimiseen. Näillä teknologioilla on tärkeä rooli tuotteiden laadun parantamisessa ja parempien valinnanmahdollisuuksien tarjoamisessa kuluttajille.
Niitä voidaan käyttää myös haitallisten aineiden tai myrkkyjen havaitsemiseen, joita ihminen ei voi haistaa suoraan. Näillä sovelluksilla on myös keskeinen rooli turvallisuusalalla. Kemikaalivuodon sattuessa e-nenät tunnistavat nopeasti vaaralliset aineet ja auttavat pienentämään onnettomuuden määrää. Ne voivat myös tallentaa hajuja sähköisiksi signaaleiksi, joilla on keskeinen rooli tilannekohtaisten televisioiden kehittämisessä. Sitä odotetaan myös käytettävän lääketeollisuudessa keuhkosyövän diagnosoimiseksi mittaamalla ihmisen uloshengityshengityksen hajua. Kun e-nenät alkavat haistaa, horisontissa on uusi hajuaistin paradigma.
Nämä e-nose-teknologian edistysaskeleet tasoittavat tietä paremmalle elämälle tulevaisuudessa laajentamalla aistejamme teknologian avulla. Tulee aika, jolloin voimme saada tietoa hajun kautta ja käyttää sitä uusien mahdollisuuksien luomiseen eri toimialoilla. E-nenä ei ole vain hajuaistin korvaaja, vaan työkalu tarkempiin ja laajempiin sovelluksiin ihmisen aistien ulkopuolella.
