Pequeñas narices electrónicas compiten para detectar olores de animales

Imagine un robot que pudiera detectar olores en el aire y localizar sus fuentes con tanta eficacia como un perro o una rata. Si se implementara, podría detectar pequeños incendios forestales en bosques densos, localizar personas enterradas bajo escombros después de un terremoto o incluso buscar trufas.

Nuestro equipo de investigación ha acercado esta visión un paso más a la realidad mediante la creación de una nariz electrónica compacta capaz de identificar olores en milisegundos.

En nuestro estudio, el objetivo era explorar este sentido artificial del olfato y probar qué tan rápido podíamos obtener información valiosa sobre el medio ambiente a partir del aire. Mostramos que la “velocidad del olfato” iguala y a veces incluso supera a la de los mamíferos.

todavía tenemos estudios publicado En avance de la ciencia,

Paisaje olfativo complejo e informativo.

Los animales sienten el olfato increíblemente rápido y esta capacidad ha evolucionado a lo largo de millones de años para optimizar sus posibilidades de supervivencia. Pero ¿por qué es necesaria esa velocidad?

La respuesta está en la compleja naturaleza de cómo los olores se propagan por el aire. Al contrario de lo que podría pensar, los olores no se debilitan continuamente a medida que se aleja de su origen hasta el lugar donde se detectan.

En cambio, el movimiento del aire crea un ambiente muy caótico donde los olores se esparcen en columnas irregulares que pueden ser extremadamente breves y disiparse con el tiempo. Estas columnas están formadas por una mezcla de dinámicas de aire turbulentas a pequeña y gran escala, incluida la cizalladura del viento y la difusión molecular, así como condiciones ambientales límite.

Comprender estas plumas olorosas es importante para los animales. Cada breve encuentro con un olor puede conllevar información valiosa.

Por ejemplo, al analizar el momento y la frecuencia de estas ráfagas de olor, un animal puede estimar qué tan lejos está de la fuente. Si el animal nota que dos olores diferentes siempre se juntan, esto puede significar que sus fuentes están cercanas entre sí. Las variaciones en las concentraciones de estas ráfagas también pueden indicar el tamaño y la extensión de la columna de olor.

Estas pistas sutiles ayudan a los animales a tomar decisiones rápidas sobre dónde encontrar comida, evitar a los depredadores o dónde encontrar pareja. Pero para desbloquear esta información, sus sistemas sensorial y nervioso deben ser lo suficientemente rápidos como para capturar y procesar estos rápidos cambios en el paisaje olfativo.

La velocidad del olfato en animales y máquinas.

La velocidad con la que los animales pueden detectar y responder a los olores varía entre especies. Insectos como los saltamontes y las moscas de la fruta procesan señales de olor. solo unos milisegundosLo que les ayuda a avanzar y reaccionar ante su entorno con facilidad. Los mosquitos pueden detectar breves ráfagas de dióxido de carbono tan solo 30 milisegundosPor eso te encuentran tan fácilmente por la noche.

Alguna vez se pensó que los mamíferos tenían un sentido del olfato lento, pero estudios recientes han demostrado lo contrario. A estudios históricos en 2021 Resultó que las ratas podían distinguir entre olores mixtos y diferentes de diferentes fuentes en apenas milisegundos. A Artículo publicado el mes pasado. Se ha descubierto que incluso los humanos pueden distinguir diferentes olores con una diferencia de sólo 60 milisegundos.

Si bien existen sensores de olores fuertes (dispositivos como detectores de fotoionización), son demasiado voluminosos, consumen mucha energía y a menudo no son lo suficientemente selectivos para ser utilizados en robots. La herramienta que hemos desarrollado ahora cierra esta brecha.

Descubrimos que podía identificar olores con precisión en menos de 50 milisegundos. Es más, puede decodificar patrones entre olores entrantes hasta 40 veces por segundo, lo cual es similar a cómo las ratas realizan tareas de separación de fuentes. Esto significa que nuestro dispositivo puede "olfatear" a una velocidad que coincide con el movimiento del animal.

¿Cómo lo haremos?

Nuestra nariz electrónica está construida sobre una placa de circuito multicapa que es ligeramente más pequeña que una tarjeta de crédito. Está equipado con varios sensores de gases de óxido metálico, así como sensores de temperatura y humedad.

Lo que diferencia a nuestros dispositivos de los demás es el uso de componentes electrónicos de alta gama que pueden muestrear y controlar estos sensores de forma muy rápida y precisa, así como algoritmos y métodos de procesamiento diseñados a medida.

Se encontró que los niveles de inmunoglobulina aumentan con la edad tanto en ratas macho como en hembras.

Los sensores funcionan cambiando sus propiedades eléctricas dependiendo de cómo reaccionan los diferentes gases con la capa de óxido de la superficie. Una parte importante para hacer que los sensores sean tan sensibles es calentar los pequeños sitios de detección a varios cientos de grados.

En aire turbulento, las temperaturas de los sensores fluctúan, lo que hace que los olores sean más difíciles de detectar e identificar. Al medir y reajustar continuamente la temperatura con un alto grado de precisión, logramos una respuesta del sensor altamente sensible que puede detectar incluso cambios menores y bruscos en el olor.

También descubrimos que cambiar rápidamente la temperatura entre 150 °C y 400 °C aproximadamente 20 veces por segundo produce patrones de datos rápidos y distintos que facilitan la identificación de olores específicos. Este enfoque permitió a nuestro instrumento capturar olores con notable velocidad y precisión.

Aplicaciones y efectos

Equipar a los robots con sensores de olores rápidos les permitirá detectar y responder a señales ambientales en tiempo real. Esto permitirá una navegación y una toma de decisiones más eficientes en escenarios desafiantes, abriendo las puertas a muchas aplicaciones prometedoras.

Por ejemplo, los incendios forestales se pueden detectar tempranamente Ahorrar gigatoneladas de emisiones de dióxido de carbonoLos métodos de detección tradicionales, como los satélites y los aviones, detectan los incendios sólo cuando alcanzan un tamaño crítico. Un incendio que arde bajo el dosel del bosque o detrás de las nubes puede ignorarse por completo.

Los drones equipados con narices electrónicas afiladas podrían cambiar esto patrullando los bosques, identificando pequeñas columnas de humo y luego navegando hasta localizar la fuente. Esto permitió cubrir grandes áreas de manera eficiente y detectar incendios antes de que se salieran de control.

Otra aplicación importante se puede encontrar en respuesta al desastreEs importante localizar rápidamente a los supervivientes después de un terremoto o el derrumbe de un edificio.

Los robots olfativos equipados con narices electrónicas afiladas pueden desempeñar un papel para salvar vidas al detectar las señales olfativas únicas de los humanos atrapados bajo los escombros. Al escanear rápidamente entornos complejos e identificar rastros de olores humanos, estos robots pueden guiar a los equipos de rescate hasta las víctimas más rápido que los métodos tradicionales, aumentando las posibilidades de supervivencia.

¿Y en cuanto a las trufas? Quizás algún día nuestros robots puedan competir con los cerdos cazadores de trufas, demostrando que la tecnología también tiene potencial para producir excelentes alimentos.

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