냄새는 우리 주변 어디에나 있으며 빠르게 흩어지는 경우가 많습니다. 예를 들어 산불과 같은 위험한 상황에서는 바람이 불 때 연기(및 연기 냄새)가 원래 있던 곳에서 빠르게 멀리 이동합니다. 재난 지역을 확인하기 위해 사람을 보내는 것은 항상 위험합니다. 그렇다면 전자 코, 즉 e-코를 장착한 로봇이 “냄새를 맡아” 위험 요소를 추적할 수 있다면 어떨까요?
이 개념은 최근 연구에 동기를 부여했습니다. 과학 발전연구자들은 쥐의 후각 시스템과 동일한 속도로 냄새를 감지할 수 있을 뿐만 아니라 e-nose의 센서와 상호 작용할 때 시간이 지남에 따라 생성되는 특정 패턴으로 냄새를 구별할 수 있는 e-nose를 구축했습니다.
“취기 물질이 난기류에 의해 운반되면 더 작은 덩어리로 잘립니다.”라고 말합니다. 마이클 슈무커영국 하트퍼드셔대학교 교수. Schmuker는 이러한 냄새 패킷이 빠르게 변할 수 있다고 말합니다. 이는 효과적인 냄새 감지 시스템이 냄새를 감지하는 속도가 빨라야 함을 의미합니다. 그리고 패킷이 변경되는 방식과 발생 빈도는 냄새의 원인이 얼마나 멀리 떨어져 있는지에 대한 단서를 제공할 수 있습니다.
E-코의 작동 원리
e-nose는 감지 표면이 초당 최대 20회 150°C~400°C로 가열 및 냉각되는 금속 산화물 가스 센서를 사용합니다. 냄새 물질과 직접 접촉하면 감지 표면에서 산화환원 반응이 일어납니다.
e-nose는 신용카드보다 작으며 전력 소비는 1.2~1.5와트에 불과합니다(마이크로프로세서 및 USB 판독 포함). 연구원들은 감지 표면을 구성하는 가열된 전극을 만날 때 악취 역학을 보다 정확하게 조사할 수 있도록 맞춤형으로 설계된 디지털 인터페이스를 갖춘 기성 구성 요소로 시스템을 구축했습니다. Schmuker는 “냄새 물질은 공기 중에 우리 주위로 흐르고 그 중 일부는 뜨거운 표면과 반응합니다.”라고 말합니다. “그것과 반응하는 방식은 자체 화학적 구성에 따라 달라집니다. 표면을 산화하거나 감소시킬 수 있지만 화학 반응이 일어납니다.”
그 결과, 금속산화물 전극의 저항이 변화하며, 이를 측정할 수 있습니다. 이러한 변화의 양과 역학은 취기제와 센서 재료의 다양한 조합에 따라 다릅니다. e-nose는 4개의 서로 다른 센서로 구성된 2쌍을 사용하여 저항 반응 곡선의 패턴을 만듭니다. 저항 반응 곡선은 냄새와 같은 자극에 반응하여 시간이 지남에 따라 센서의 저항이 어떻게 변하는지 보여줍니다. 이 곡선은 냄새 분자가 표면에 결합하는 것과 같은 물리적 상호 작용을 전기 신호로 센서가 변환하는 것을 포착합니다. 각 냄새는 뚜렷한 반응 패턴을 생성하므로 시간이 지남에 따라 전기 신호가 어떻게 변화하는지 분석하면 특정 냄새를 식별할 수 있습니다.
“우리는 150°C와 400°C 사이에서 초당 약 20회씩 온도를 빠르게 전환하면 특정 냄새를 더 쉽게 식별할 수 있는 독특한 데이터 패턴이 생성된다는 사실을 발견했습니다.”라고 말합니다. 닉 덴러이중 박사 학위. 하트퍼드셔 대학교와 웨스턴 시드니 대학교의 학생입니다. 이러한 다양한 온도에서 냄새 물질이 어떻게 반응하는지에 대한 그림을 구축함으로써 응답 곡선을 기계 학습 알고리즘에 연결하여 특정 냄새와 관련된 패턴을 찾아낼 수 있습니다.
e-코는 일반 코처럼 “냄새를 맡지” 않지만 냄새를 감지하기 위한 주기적인 가열 주기는 포유류가 수행하는 주기적인 냄새를 연상시킵니다.
재난 관리에 E-nose 사용
런던의 Francis Crick Institute와 University College London의 연구원들이 2021년에 발견한 바에 따르면 쥐는 냄새의 변동을 구별할 수 있다 이는 초당 최대 40회에 달합니다. 이는 포유류가 의미 있는 냄새 정보를 얻으려면 한 번 또는 여러 번의 냄새를 맡아야 한다는 오랜 믿음과는 반대입니다.
2021년 발견의 배후에 있는 동일한 연구자가 부분적으로 수행한 새로운 연구에서 연구자들은 e-코가 초당 최대 60회 냄새 변동을 해결하고 해독할 수 있는 능력을 가지고 마우스만큼 빠르게 냄새를 감지할 수 있다는 것을 발견했습니다. . e-nose는 현재 개별적으로 또는 두 가지 냄새가 혼합되어 표시될 때 5가지 다른 냄새를 구별할 수 있습니다. e-코는 훈련을 받으면 추가 냄새를 감지할 수 있습니다.
Dennler는 “단 50밀리초 만에 냄새를 정확하게 식별하고 초당 최대 40회 냄새 전환 패턴을 해독할 수 있다는 것을 발견했습니다.”라고 말했습니다. 비교를 위해 인간을 대상으로 한 최근 연구에서는 동일한 후각 수용체에 결합된 두 냄새를 구별하는 임계값이 약 60ms인 것으로 나타났습니다.
소규모 및 적당한 전력 요구 사항으로 인해 e-nose를 냄새의 원인을 찾아내는 데 사용되는 로봇에 배포할 수 있습니다. Schmuker는 “다른 빠른 기술도 존재하지만 일반적으로 부피가 매우 크고 이를 구동하려면 큰 배터리가 필요합니다.”라고 말합니다. “우리는 우리 장치를 작은 로봇에 장착하고 오늘날 탐지견을 사용하는 응용 분야에서의 사용을 평가할 수 있습니다.”
Dennler는 “운전하거나 걷거나 날아다니는 순간 감지 속도가 매우 빨라야 합니다.”라고 말합니다. “e-nose를 사용하면 냄새 정보를 고속으로 캡처할 수 있습니다. 주요 응용 분야에는 냄새 안내 탐색 작업이 포함될 수 있으며, 보다 일반적으로는 이동 중에 냄새 정보를 수집하는 작업이 포함될 수 있습니다.”
연구원들은 산불 및 가스 누출 위치 파악, 지진 후 잔해에 묻혀 있는 사람 찾기 등 재난 관리 응용 분야에 이러한 소형 e-nose 로봇을 사용하는 방법을 연구하고 있습니다.