Deze elektronische neus ruikt geuren razendsnel
Een nieuw apparaatje detecteert geuren binnen een fractie van een seconde. Deze razendsnelle ‘elektronische neus’ kan op allerlei plekken gebruikt worden. Bijvoorbeeld voor snelle opsporing van bosbranden of voor het vinden van slachtoffers na een aardbeving.
Stel, er is ergens een beginnende bosbrand, die nog niet vanuit de lucht of met satellieten te zien is. Of er is een aardbeving geweest, waarbij mensen onder de brokstukken van gebouwen liggen. In beide gevallen kunnen robots of drones met de juiste sensoren levens redden of de brandweer op tijd naar de bosbrand sturen, zodat die snel te doven is.
Maar om te kunnen navigeren op geuren in de lucht moet een robot of drone wel een supersnel ruikende e-nose (elektronische neus) aan boord hebben. Precies dát heeft een internationale groep onderzoekers nu ontwikkeld. Ze beschrijven alle details in een artikel dat deze week verscheen in het tijdschrift Science Advances (gratis toegankelijk).
Printplaat met sensoren
Heel sexy ziet de elektronische neus er niet uit: het is een groene printplaat ter grootte van een bankpas, vol met elektronische onderdelen. De belangrijkste onderdelen zijn meerdere gassensoren en daarnaast sensoren voor temperatuur en luchtvochtigheid.
Het nieuwe apparaat onderscheidt zich van andere ruikende apparaten door het gebruik van geavanceerde elektronica die deze sensoren extreem snel en nauwkeurig kan uitlezen en besturen, schrijft hoofdonderzoeker Nik Dennler in een artikel op The Conversation. Speciaal ontworpen algoritmen en verwerkingsmethoden dragen ook bij aan de snelheid van het meetapparaat.
Als we inzoomen op zo’n sensor, dan speelt een metaaloxidelaag de hoofdrol. Komt daar een gas langs, dan hebben de moleculen in dat gas een interactie met het oppervlak van zo’n sensor, waardoor de elektrische geleidbaarheid van de oxidelaag verandert. En dat is heel precies te meten. Nu levert één enkele sensor nog weinig nuttigs op, maar een heel rijtje aan veranderende weerstandswaarden is een soort vingerafdruk van een geur.
Testen
De onderzoekers een speciaal apparaatje, dat geuren verspreidt, om hun elektronische neus te testen. ‘Het is moeilijk om geurstoffen heel precies te laten vrijkomen’, vertelt Dennler in een podcast van het wetenschapsblad Science.
‘Gelukkig konden wij gebruikmaken van het systeem dat collega’s van het Francis Crick Institute hebben ontwikkeld voor hun onderzoek aan het geurvermogen van muizen.’ Het apparaatje kan bijvoorbeeld continu geur afscheiden, maar ook heel korte pulsjes van een geurstof loslaten, of andere geurpatronen.
Wat leverde dit op? Bij vijf verschillende geurstoffen kon de e-nose pulsen van geur onderscheiden van 10 milliseconden lang. Het tweede belangrijke resultaat is dat twee verschillende geuren die door elkaar heen zijn verspreid, door de elektronische neus uit elkaar kunnen worden gehaald met een frequentie van 40 hertz. ‘Dit is wat muizen ook kunnen’, zegt Dennler in de podcast.
Een ander opvallend resultaat van het onderzoek: een geur die zich verspreidt, doet dat niet altijd op een regelmatige, lineaire manier (dus geleidelijk afnemend hoe verder je van de geurbron komt). ‘In plaats daarvan creëren luchtstromingen een zeer chaotische omgeving waarin geuren zich verplaatsen in onregelmatige pluimen die elkaar opvolgen’, schrijft Dennler in het artikel bij The Conversation.
Toepassingen
De onderzoekers zien tal van toepassingen voor hun snel ruikende elektronische neus. Neem het opsporen van bosbranden. Daarvoor is nu een groot netwerk van sensoren nodig die elk een deel van een groot bos voor hun rekening nemen. Zo’n uitgebreid en duur netwerk zou vervangen kunnen worden door drones met een e-nose aan boord, die rondvliegen en voortdurend snuffelen naar de karakteristieke brandlucht.
Maar er zijn veel meer toepassingen te bedenken. Een stevige robot die al rondsnuffelend op zoek gaat naar overlevenden, en doden, onder het puin van een aardbeving. ‘Eigenlijk elke situatie waarbij een drone of robot moet navigeren aan de hand van een veranderend geurpatroon’, aldus Dennler.
Groot en duur
Er bestonden al langer elektronische apparaten die geuren herkennen en de ene geur van de andere kunnen onderscheiden. Deze zijn echter vaak groot en duur. Bij de exemplaren die wel draagbaar zijn, en beter betaalbaar, rolt de meting er meestal maar langzaam uit. Dankzij ontwikkelingen in elektronica en software geeft zo’n apparaatje tegenwoordig na enkele seconden een resultaat. Prima bruikbaar in een ziekenhuis, maar voor de hier genoemde toepassingen is echt sneller snuffelen nodig.
Openingsfoto: Depositphotos
Illustraties: Dennler et al. , Science Advances, 2024 / CC BY-NC