2.4 Генерация запахов

Запах является неотъемлемой частью окружающей среды, вследствие чего играет огромную роль в жизни человека.

Создание запахов востребовано во многих областях жизнедеятельности человека, таких как:

парфюмерия, для создания духов, кремов, лосьонов и других продуктов;

реклама для привлечения внимания к товарам;

ароматерапия, для создания лекарственных средст.

На основе запахов предложены ряд услуг [37]:

• одна из сетей недорогих отелей Британии предложила своим постояльцам новую услугу - выбрать запах постельного белья. Пока можно выбрать один из пяти ароматов - морского бриза, свежескошенной травы, домашнего яблочного пирога, шоколада или же детской присыпки. Отобранным запахом будут ароматизированы наволочки и простыни. Запах сохраняется в течение недели. Если аромат очень понравится клиенту, простыни и наволочки можно купить и забрать с собой. Эта идея уже реализована в гостиницах Эдинбурга, Ньюкасла, Бирмингема, Ноттингема и в отеле у терминала 5 аэропорта Хитроу;

• две немецкие фирмы запатентовали технологию, которая позволяет посылать текстовые сообщения с запахом на мобильные телефоны. Как сообщают разработчики "люди смогут посылать своим друзьям с курортов запах пляжа и солнца...". Над технологией, которая будет включать около 100 предустановленных популярных запаха, работают уже 8 лет. Готовые устройства на базе этой технологии обещают выпустить на рынок через два года. Стоимость запаховых "чипов" будет доступной, но потребителям надо будет иметь телефоны, позволяющие их использовать. Сейчас ведутся переговоры с дистрибьюторами и провайдерами мобильных телефонов по поводу запуска ароматических "чипов", которые также можно будет использовать для целей ароматической рекламы и в электронных играх;

• одни из номеров журнала Vanity Fair ("Ярмарка тщеславия", американский журнал о культуре, моде, политике) вышел с двумя ароматическими рекламными страницами нового одеколона Dolce & Gabbana, который называется The One for Men. Лицом этой рекламной кампании стал актер Matthew McConaughy. Сам одеколон появился на рынке в декабре 2007 года, сейчас же рекламная кампания усилена при помощи ароматической рекламы в печати.;

• усмирить нрав закоренелых преступников помогает запах апельсинов. Необычный опыт проводится сейчас в тюрьмах голландского Роттердама. Через систему вентиляции в камеры там поступает аромат цитрусовых. Тюремные психологи утверждали, что таким способом удастся снизить агрессивность осужденных. Эксперимент полностью оправдался. Количество потасовок в тюрьме снизилось на 10%, арестанты даже стали меньше конфликтовать с охранниками. Как объяснить этот феномен, медики не знают, но лечить преступников с помощью ароматерапии теперь собираются и в других тюрьмах Голландии. Кстати, использовать запахи для усмирения бандитов первыми придумали в США. Правда, там пошли по совершенно другому пути. В Америке преступников, которые забаррикадировались от полиции, часто выкуривают из их убежища с помощью безвредного газа с запахом скунса. Усидеть в помещении с таким амбре удается очень немногим;

• Новый подход к социальной рекламе безопасности на дорогах продемонстрировало пражское отделение Saatchi & Saatchi. Поскольку простые призывы не болтать по телефону за рулем из-за опасности аварий и несчастных случаев, мало доходят до сознания сограждан, к соответствующему тексту в журнальной рекламе был добавлен неприятный запах. Медицина считает, что такое комбинированное воздействие лучше запоминается. Для женщин запах и картинка – Accident («несчастный случай»), для мужчин – Crash («Авария»);

• По поручению компании CafeScribe (США, Солт-Лейк-Сити), которая продает электронные книги был проведен опрос среди студентов 600 колледжей по поводу их отношения к книгам электронным и бумажным. Опрос дал следующие результаты: 43% студентов считают запах книги (не важно новой или старой) как свойство, которое они ценят больше всего в книге как физическом объекте, а 62% из них предпочитают покупать старые использованные учебники, а не новые и не электронные (хотя электронные книги стоят на треть дешевле). И одной из основных причин этого является приятный запах старых книг. Чтобы завоевать благосклонность покупателей компания объявила о выпуске первой электронной книги с запахом. С запахом старого фолианта.

Существуют два основных способа генерации запахов:

1) Использование набора первичных (базовых) запахов с присвоением оригинального кода, соответствующим заранее установленным пропорциям и интенсивностью смешиваемых запахов. Таким образом, получается кодовая таблица, в которой записаны коды желаемых запахов. Один из вариантов предложен в работе Ученые из израильского института Вейцмана создали первую в мире карту запахов, которая определяет место каждого из них относительно других подобно тому, как выстраиваются ноты в музыкальной гамме. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Method..

«Исследователи рассчитывают, что карта запахов поможет в будущем "оцифровывать" ароматы и даже передавать их по электронной почте или с помощью мобильного телефона.

В отличие от нот, которые распределены по музыкальной гамме благодаря тому, что каждая из них имеет строго определенную частоту, запахи не связаны столь же строгими соотношениями. Чтобы создать "гамму запахов" ученые подобрали около 250 ароматических веществ. Для каждого из них был создан список из 1,6 тысячи химических характеристик. Затем они сократили список показателей, необходимых для того, чтобы точно определить место каждого запаха на карте, до 40.

На следующем этапе исследователи проверили, может ли мозг распознавать соотношение между запахами тем же способом, как он распознает музыкальную гамму. Для этого они проанализировали многочисленные прежние исследования, касающиеся реакций нервной системы на запахи, и установили, что запахи, оказавшиеся рядом на их карте, вызывают сходные нервные реакции.

Исследователи также протестировали 70 запахов, пытаясь с помощью карты предсказать возможную реакцию нервной системы. Затем эти данные были сопоставлены с результатами эксперимента, проведенного их коллегами из Токийского университета. Как выяснилось, предсказания с помощью карты запахов очень точно совпали с итогами экспериментов» [38]/

Открытие израильских ученых - еще один аргумент в поддержку теории, что восприятие запахов подчиняется строгим химическим закономерностям, вопреки общепринятой точке зрения, что это лишь субъективное ощущение.

2) Использование электронного носа для определения компонентов желаемого запаха.

Следует отметить, что:

первый метод предусматривает создание запахов в соответствии с замыслом автора творения;

второй метод преследует цель передать запахи, близкие к естественным.

Очевидно, что второй метод более пригоден к прямой передаче видео с передачей запахов.

Основными проблемами, которые необходимо учитывать при создании генератора запахов для широкой аудитории являются:

восприятие запахов отличается для отдельных индивидуумов и популяций;

медленная частота обновления;

наличие в помещении какого-либо запаха может исказить желаемый запах;

один и тот же запах может быть приятным для одной группы людей и неприятным другой;

у запаха нет направленности, достижение которой могло бы дать ощутимые преимущества; необходимо предотвратить появление запаха, вызывающего аллергию или другие опасные реакции.

Особенно необходимо обратить внимание на последний пункт, а именно, на аллергические реакции, такие как астма.

Очевидно, что тот или иной запах является несоответствующим, по крайней мере, для 1-2% от людей, и домашних животных. [39]. К тому же процент больных аллергией и респираторным заболеванием увеличивается.

Следовательно, обязательным требованием при создании таких устройств является необходимость минимизировать побочные эффекты.

2.4.1 Системы с использованием кодовой таблицы

К концу 1950-х годов, Ханс Лаубе изобрел Smell-O-Vision, систему, которая создает запах во время демонстрации фильма так, чтобы зритель мог "чувствовать запах", соответствующий сцене в фильме. Запах проникал в зал через трубки, подведенные к креслам. Подобная система AromaRama, изобретена Чарльзом Вайсом, в которой излучаемый аромат попадал в зал через системы кондиционирования театра [40}.

Однако Smell-O-Vision не соответствовал требованиям проектировщиков. В соответствии с различными рецензиями на фильм мистической комедии «Тайна запаха» (1960), который единственный и использовал технологию Smell-O-Vision, ароматы были выпущены с отвлекающим шипением, а зрители на балконе жаловались, что ароматы достигли их несколько секунд после того, как действие было показано на экране. В других частях театра, запахи были слишком слабыми, в результате чего зрители громко втягивали воздух, пытаясь поймать запах. Эти технические проблемы в основном были исправлены после первых нескольких показов, но народная молва, в сочетании с отрицательными отзывами о самом фильме, положило конец Smell-O-Vision [41].

В 1999-2001 специалистами DigiScents были разработаны компьютерные периферийные устройства, называемые iSmell, которые были предназначены испускать запах, когда пользователь посетит веб-сайт или открывает электронную почту [42].

Устройство содержало картридж с 128 первичными запахами, которые могут быть смешаны для репликации природных и техногенных запахов. DigiScents были проиндексированы тысяч простых запахов, которые могут быть закодированы, оцифрованы и встроены в веб-страницы или электронную почту.

Устройство iSmell, как показано на рисунке 2.3, действовало по следующему принципу: цифровой код, полученный из Интернета, конвертировался в команды по смешиванию соответствующих ингредиентов, имеющих тот или иной запах.

 

Рисунок 2.3 - Принципиальная схема работы устройства iSmell [43]

Однако компания обанкротилась в результате взрыва пузыря дот-комов.

Пузырь образовался в результате взлёта акцийинтернет-компаний(преимущественно американских), а также появления большого количества новыхинтернет-компаний и переориентировки старых компаний наинтернет-бизнесв концеXX века. Акции компаний, предлагавших использовать Интернет для получения дохода, баснословно взлетели в цене. Такие высокие цены оправдывали многочисленные комментаторы и экономисты, утверждавшие, что наступила «новая экономика», на самом же деле эти новые бизнес-модели оказались неэффективными, а средства, потраченные в основном на рекламу и большие кредиты, привели к волнебанкротств, сильному падению индекса NASDAQ, а также обвалу цен насерверные компьютеры.

В 2000 году AromaJet разработал прототип устройства генерирующего аромат под названием Pinoke. Однако дальнейших публикаций не последовало [44].

В 2003 году Trisenx (основан в 1999) запустила устройство генерирующее аромат под названием Scent Dome, который в 2004 году был протестирован службой Великобритании Интернет-провайдера. Это устройство было размером с чайник и могло генерировать до 60 различных запахов, выпуская частицы из одного или нескольких 20 жидких капсул, заполненных запахом. Компьютеры, оснащенные блоком Dome Scent, использовали программное обеспечение, чтобы создать запах, соответствующий идентификационным кодам, передаваемым через электронную почту или веб-страницы [45].

В 2004 году Tsuji Wellness и France Telecom разработали устройство генерирующее аромат под названием Kaori Web, который поставлялось с 6 разными картриджами для различных запахов [46]. Японская фирма K-Opticom поставила данное устройство в интернет-кафе и других местах.

Также в 2005 году фирма Thanko разработало P @ D Aroma Generator, устройство USB, представленное на рисунке 2.4, которое поставлялось с 3-х различными картриджами для различных запахов [47].

Более успешно развивался бизнес компании Trisenx. По сообщениям руководства компании, она вела совместные проекты с NASA по созданию симуляторов виртуальной реальности, что, видимо, позволило довести технологию до промышленной реализации.

Рисунок 2.4 - Устройство Scent Dome

В разработанной системе носители запаха хранятся в картриджах устройства Scent Dome [48,49]. Каждый картридж имеет 20 отделений, содержащих соответственно 20 запахов. Имея 40 исходных запахов (картриджи «Ароматы» и «Запахи еды» по 20 камер каждый), Scent Dome может создавать тысячи оттенков запаха.

Scent Dome подключается к ПК и получает команды, генерируемые программой пользователя. Пользователь может определить длительность подачи воздуха с тем или иным ароматом, записать данную информацию в файл и передать его, например, по почте абоненту, у которого установлен Scent Dome. Файлы можно публиковать на сайте, скачивать из Сети и генерировать нужный аромат.

Scent Dome управляется при помощи специального программного обеспечения SenxWare Scent Design Studio (SDS). Программа имеет удобный, интуитивно понятный интерфейс и предлагает два режима. Первый — режим создания запахов (Creating Fragrances) — позволяет выбрать четыре различных ингредиента, определяя долю каждого в процентах. После этого SDS ПО активирует Scent Dome, в котором резервируется индивидуальная камера для хранения необходимой концентрации, и через с небольшой вентилятор доставляет запах пользователю. Примерно через одну минуту Scent Dome-камеры закрываются, и вентилятор работает еще 5с, на чем процесс заканчивается.

При работе в режиме ароматерапии (Aroma Therapy) опять-таки предлагается выбор из четырех ингредиентов, а также предоставляется возможность определить время включения (Time on — время выпускания запаха) и выключения (Time off — время закрытия камеры) устройства. Цикл автоматически повторяется четыре раза, после чего устройство выключается и готово к выполнению следующей команды.

В настоящее время Scent Dome не выпускается.

Как можно увидеть из краткого обзора разработанных устройств, ни одно из них не нашло широкого применения. Сложность задачи создания запахов по требованию, заключается в том, что наука о запахах, не позволяет решить задачу создания строгой, систематической и воспроизводимой системы классификации запахов. Трудность состоит в том, что не существует абстрактного или более высокого уровня определения запаха. Мы можем сказать, что существует запах розы, несколько более высокий уровень категорий, соответствует понятию цветочный запах. Даже при таком уровне разные люди могут по-разному охарактеризовать запах шиповника, ромашки и т.д. Это походит на попытку разработать систему цветной классификации, именуя зеленые предметы, как «цвет травы», а красный цвет, как цвет «пожарной машины». Смешивая цвет травы с цветом пожарной машины, трудно представить какой получится цветовой тон и с какой насыщенностью.

Если сравнивать со зрением, то у людей есть только три различных вида цвета красный, зеленый и синий. Поэтому сравнительно легко организовать представить цветовое пространство и синтезировать желаемый цвет в трехмерном пространстве. Хотя и в этом случае теория цветов непрерывно развивается, а равноконтрастной системы так и не появилось. Выполнение того же самого с запахом заняло бы тысяча-мерное место. Это основная проблема синтезирования произвольных ароматов по требованию.

Сложность этой задачи – в том, что наука о запахах, не была успешна в создании строгой, систематической, и воспроизводимой системы классификации для запаха. Трудность состоит в том, что у нас нет никакой хорошей абстракции или более высокого уровня категорий, кроме запахов непосредственно. Как представить запах мяты. Кроме как назвать этот запах мятным, никак его больше не охарактеризовать. Более высокий уровень категорий, такой как "цветочный", просто указывает, что “этот набор запахов присущ цветкам”. Даже у этой категории есть проколы; много людей считают аромат ромашки неприятным и не описали бы его как цветочный, если бы они обоняли его, не видя цветок непосредственно перед ними. Это походит на попытку разработать систему цветной классификации, именуя красные предметы как “пожарная помпа, покрашенная” или зеленые предметы как “цвета шпината.

В ряде исследований [26,50] были предприняты попытка изучить характеристики обоняния в терминах битрейта и пропускной способности. При этом количество запаха и качество рассматриваются как метрики в измерении пропускной способности. Количество определяется количеством уровней интенсивности, которые возможно ощутить, а качество определяется количеством различных запахов, которые возможно ощутить, не измеряя достоверность аромата.

Количество

Engen и Pfaffman [51, 52] взглянули на оценку интенсивности аромата и попытались определить пропускную способность запахов с точки зрения теории информации. Они использовали четыре простых аромата, в которых аромат обеспечивается единственной беспримесной молекулой, и разбавили ароматы в различных степенях: Для каждого набора разбавленных ароматов субъекты попытались расположить выборки в порядке интенсивности. Заключение состояло в том, что субъекты могли определить приблизительно 1.5 бита информации, или три категории, прежде чем степени точности спадали до случайной.

Однако авторы не включали ноль как бит. Цифра 1.5 бита была достигнута, наблюдая, что субъекты могли расположить три баллона, содержащие последовательно разбавленный одорант на 100, 50 и 25-процентов, в правильном порядке успешно, и точность уменьшалась после этой точки; предполагалось, что субъекты могли различить 0 и 25-процентные ароматы. Считая нулевую точку, мы описали бы этот результат как значение, что субъекты могли отличить два бита или четыре разряда интенсивности запаха, которые можно охарактеризовать, как не воспринимаемый, слабый, умеренный, сильный.

Существуют и другие шкалы интенсивности запаха, как показано в таблице 2.3 , предложенные другими исследователями [53].

Следует отметить, что уровни этих интенсивностей изменяются в широких пределах, как по популяции, так и по физическим лицам. Вариации в ощущениях людей, изучаемые в течение долгого времени, показали, что вариация для отдельных индивидуумов такие же, как вариация в популяции в целом. Кроме того, мы быстро адаптируемся к ароматам вокруг нас. Исследования показали, что частично, если не полностью, адаптация происходит в течение минуты].

Поэтому, полагаться на интенсивность аромата для информационного отображения крайне затруднительно.

Таблица 2.3 - Категории интенсивности запаха

Сила запаха	Уровень интенсивности
Экстремально сильный	6
Очень сильный	5
Сильный	4
Отчетливый	3
Слабый	2
Очень слабый	1
Не воспринимаемый	0

Качество

Engen и Pfaffman [52] также занимались исследованиями, какое количество запахов может различить человек. Выводы, которые они сделали, были то, что субъекты могли опознать только 16 запахов достоверно, или четыре бита информации. Однако этот результат противоречит тому, что парфюмеры и дегустаторы ароматов могут опознать тысячи запахов, а сравнительно неподготовленный субъект может распознать, по крайней мере, десятки запахов.

Качество запаха можно оценить или описывая запах, или сравнивая образец запаха с хорошо известным запахом. Однако оценка качества запаха чрезвычайно сложная проблема, потому что она связана с необходимостью описания запаха - присвоения наименования запаху.

Например, трудно для субъектов запомнить запах, который имеет название "рыбный, козлиный, жирный". Когда экспериментатор предлагает для запаха название "кожа", появляется намного более высокий потенциал распознания на последовательных экспозициях аромата.

Технологии генерации запаха

По сути, есть только несколько методов, чтобы получить аромат в атмосферный воздух из источника. Сторона управления сравнительно проста: компьютер, будь то полнофункциональный настольный машиной или просто встроенный чип, посылает сигнал через последовательный или параллельный порт к исполнительному устройству, которое включает генератор запаха в течение заданного промежутка времени.

Чтобы произвести наибольшее количество запаха, рассеянного в кратчайший промежуток времени, можно распылить раствор аромата в воздух, используя сжатый воздух подобно краскораспылителю, чтобы обеспечить требуемое быстродействие. Этот подход использовался в inStink проекте в лаборатории MIT [54].

Хотя такое устройство легко построить, однако контроль выходных величин требует тщательной калибровки, а аппарат, требующий компрессора или источника с бутилированным сжатым воздухом, получается громоздким и неуклюжим.

Также возможно использовать баллоны аромата, подобные стандартным флаконам для духов, с головной частью, надавленной или соленоидами или управляемым кулачком двигателя. Преимущество этих устройств состоит в том, что они обеспечивают необходимое количество аромата в короткое время. Однако управление количеством аромата ограничено кратными числами количества аромата, распыленного одиночным надавливанием [55].

Для более точного управления можно использовать струйные технологии, чтобы распылить ароматы в воздух. Эти технологии позволяют управлять по выходу с точностью до нано литра. Однако использование для поставленных целей требует дальнейших исследований, чтобы обеспечить практическое использование таких систем.

Другой подход заключается в использовании тепла, чтобы увеличить испарения ароматизированного масла или воска, содержавшего в резервуаре или фитиле. Запах может быть донесен пользователю вентилятором, если это необходимо. Устройство, разработанное компанией Olfacom, использует подобный метод, и кроме этого использует полимерные мембраны, чтобы герметизировать аромат, а не воск или фитиль [56].

С целью достижения быстродействия нагрева в одном из патентов для нагрева используется лазер [57].

Точно так же воски могут быть сделаны достаточно летучими, чтобы испаряться без нагрева, нуждаясь в только вентиляторе, чтобы донести аромат в комнату.

Другая возможность для того, чтобы герметизировать аромат состоит в том, чтобы использовать систему потри и понюхай (средство привлечения к активным действиям, используемое в рекламе; представляет собой поверхность, пропитанную ароматическим веществом, которое начинает благоухать, если ее слегка потереть), которая использует механическое устройство, чтобы тереть поверхность, таким образом, вызывая аромат. Опять же, генератор запахов можно реализовать как с вентилятором, так и без него, чтобы обеспечить диффузию аромата в комнату. [58]

Когда ароматизируются большие пространства, может быть полезно, включить устройство вывода аромата, основанное на системах кондиционирования воздуха или вентиляции пространства, которое будет ароматизировано. Это - метод, используемый ScentAir, Aromasys, DaleAir, и другими.

Можно еще отметить, что в качестве базовых ароматов используются в большинстве случаев растворы ароматов, но в некоторых случаях используются ароматы в твердом виде.

Рассмотрим одно из этих устройств, которое были продемонстрированы на кафедре телевидения ЛЭИС в 80- х годах [59]. Автор предложил устройство для ароматизации воздуха, содержащее корпус, снабженный цилиндрическим кожухом, расположенным концентрично корпусу, в последнем образованы дополнительно размещенные по его окружности ячейки для расположения емкостей с душистым веществом и гнездо для размещения баллона с аэрозолью. В каждой из ячеек установлены сменный стакан для крепления различных по диаметру емкостей и нагревательный элемент. В корпусе под ячейками выполнены каналы для подачи воздуха. Гнездо для размещения баллона с аэрозолью имеет подпружиненный шток, на одном конце которого укреплена насадка с отверстием для взаимодействия с клапаном баллона с аэрозолью, а на другом - ручка для управления его работой. В патрубке для подачи воздуха установлен вентилятор, а в стенке патрубка выполнены воздухозаборные окна с задвижками.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы емкости с душистыми веществами вставляются в ячейки корпуса. Количество ячеек зависит от поставленной задачи. Выделение душистых веществ достигается нагреванием элементов в любой из ячеек, при этом может быть достигнуто различное сочетание душистых веществ, находящихся в различных емкостях. В устройстве предусмотрена возможность различной степени разогрева нагревательных элементов и тем самым скорость выделения запахов.

Далее осуществляется выпуск аэрозоли. При включении вентилятора воздушным потоком производится активный принудительный выброс душистых веществ. Во время работы можно периодически включать и отключать ионизатор воздуха. Отличительной особенностью этого устройства является использование твердых душистых веществ, что практически устраняет необходимость замены душистых веществ.

Следует отметить, что автором был разработан промышленный образец устройства под называнием одорофон, который можно было приобрести.

Таким образом, существует несколько технологий для того, чтобы генерировать аромат под контролем компьютера; это важно для исследователей, интересовавших добавлением таких устройств к их проектам рассмотреть количество аромата, который они хотят испустить, продолжительность выхода и проекта, и номера пользователей, к которым будет направлен выход аромата.

2.4.2 Системы с использованием электронного носа

Одной из наиболее известных попыток была разработка такой системы американо-израильской фирмы DidgiScent. К сожалению, эта фирма не выполнила ряд обязательств своевременно и лопнула.

Инженеры из Токийского технологического института (Япония) под руководством доктора Памбука Сомбуна (Pambuk Somboon), по сообщению прессы, создали прибор, способный записывать и воспроизводить запахи [60], точно так же, как звук или изображение, сообщает NewScientist. Для записи достаточно направить прибор, к примеру, на свежеиспеченный торт, и после непродолжительной процедуры анализа устройство сможет воспроизвести его запах, используя встроенный набор нетоксичных химических веществ.

Прибор поможет улучшить сервис онлайн-магазинов, давая возможность покупателям «понюхать» пищевые продукты или парфюмерные товары, добавляя тем самым дополнительное измерение виртуальному миру. Он может пригодиться также военным хирургам при дистанционных операциях, позволяя лучше диагностировать желчь, мочу и кровь пациентов.

«Несмотря на то, что многие компании уже производят генераторы запахов для компьютерных игр, телешоу и кинотеатров, они пока не имеют заметного коммерческого успеха, поскольку диапазон воспроизводимых запахов существующих установок очень ограничен, — комментирует д-р Сомбун. — Поэтому мы отказались от использования готовых ароматов и разработали систему записи оригинального запаха. Задача оказалась непростой. Для записи и воспроизведения изображения достаточно комбинации трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Что же касается запаха, то люди имеют 347 обонятельных рецепторов, поэтому нам пришлось использовать очень много исходных химических соединений» [61].

Новая система будет использовать 15 химических рецепторов — «электронных носов» — для анализа и записи широкого диапазона ароматов. Полученный цифровой рецепт можно будет воспроизвести при помощи набора из 96 химических веществ. При воспроизведении прибор автоматически смешивает, нагревает и распыляет необходимое количество жидкости с определенным запахом.

При тестовых испытаниях система успешно записала и воспроизвела запах апельсина, лимона, дыни, банана и яблока. Чувствительность прибора, как утверждают его создатели, позволяет даже определить сорт яблока.

Электронный нос

Общими для всех вариантов «электронного носа» являются следующие принципы: высокая чувствительность (нижний предел обнаружения составляет десятки пикограмм вещества), быстрота анализа, распознавание огромного множества разных запахов, миниатюрность, технологичность в изготовлении, надежность в работе и необходимость обеспечивать проведение мониторинга объектов в течение длительных периодов (часы, дни, недели и даже месяцы) [62].

Классический электронный нос, состоящий из массива датчиков, в по-прежнему, является наиболее распространенным подходом, хотя новые технологии недавно вошли в эту область. Есть две причины продолжающейся популярности данного решения. Это накопленный опыт их использования для разнообразного набора приложений, и установки электронного носа, основанные на сенсорах, напоминают наиболее близко биологическую модель.

Каждая часть носа млекопитающих имеет свой технический эквивалент. В то время как все технологии распознавания требуют подобного подхода к оценке данных, главная особенность массива сенсоров, их модульный принцип. Для обнаружения газообразных веществ, взаимозаменяемые части биологических приемников являются газовыми сенсорами, которые, как биологические приемники, обеспечивают определенную множественность обнаружения, не будучи полностью селективными.

Технические реализации всегда представляют обходной путь между высокой специфичностью и обратимостью сенсоров. Высокая специфика требует необратимое взаимодействие между сенсором и целевым газом. Даже после миллионов лет развития у человеческих рецепторных клеток срок службы составляет только нескольких недель. Это демонстрирует высокие затраты обоняния в природе и трудностях, с которыми сталкиваются в технологическом развитии, где срок службы чувствительных элементов должен быть намного более длинным.

Возможен выбор различных принципов преобразования сенсоров, и для каждого типа сенсора, разновидность возможность для настройки специфики сенсора доступна.

Важно отметить, что при объединении всех типов возможных датчиков, существуют ограничения на размеры полезного массива, и вместо получения новой информации о газовом составе, увеличение размера массива может привести к усилению шумов, например, чувствительность к бесполезной информации. Следовательно, для создания электронного носа лучший способ это не использовать много различных сенсоров, имеющихся в наличии, а выбрать их, исходя из требуемого приложения и знания аналитических данных. Это единственный способ гарантировать, что вещества, которые должны быть обнаружены, вызывают сигнал.

Такой прибор может быстро установить принадлежность исследуемого вещества к одному из известных, то есть он распознает вещество как бы по запаху или по вкусу, как это делает опытный дегустатор. Датчики, входящие в матрицу электронного носа, могут не обладать высокой селективностью к какому-нибудь аналиту, главное, чтобы они имели разную селективность и достаточную чувствительность. При таком подходе одна из трудностей создания датчиков, а именно трудности подбора вещества для изготовления избирательной чувствительной пленки, отпадают. Однако, факторы, связанные с недостаточной воспроизводимостью изготовления чувствительных материалов и, главное, с различными скоростями старения различных чувствительных материалов в различных датчиках приводят к существенным недостаткам таких анализаторов в целом. Действительно, для работы таких приборов, так как в них производится сравнение выходных сигналов каждого датчика с сигналами, ранее занесенными в базу данных, требуется высокая стабильность параметров. В результате такой анализатор требует частой и сложной перенастройки и калибровки, что значительно сужает функциональные возможности прибора.

Новые подходы

Можно показать, что при использовании сенсоров с различными принципами преобразования, возможно усиление полезной информации, коррелированной с увеличением наборов сенсоров. Чувствительные элементы с различными принципами преобразования, будут селективным для различных классов веществ и могут, поэтому обеспечивать дополнительную информацию. Поэтому, в последние годы первоначальные типы сенсоров, используемые для электронных носов, были не только улучшены, но дополнены другими технологиями, введенными в этой области. Диапазон электронных носов, доступных сегодня, не ограничен только устройствами, основанными на хемо резисторах или гравиметрических чувствительных элементах, но также и включает датчики с матрицей оптических сенсоров, а также системы без модульного принципа построения, таких как хроматографы, работающие в режиме реального времени, или масс-спектрометры. На развитие машинного обоняния оказали влияние научные разработки в других областях, начиная от оптических технологий, разработанных телекоммуникационной отраслью до усовершенствований в аналитической химии. Эта тенденция также сократила разрыв между традиционным электронным носом, используемым как черный ящик и классической аналитикой, которая стремится определять количество каждого компонента данной выборки.

Хроматография

Классическим методом разделения анализа смесей, а также изучения физико-химических веществ является хроматография [63].

Хроматография – это метод разделения и определения веществ, основанный на распределении компонентов между двумя фазами – подвижной и неподвижной. Неподвижной (стационарной) фазой служит твердое пористое вещество (часто его называют сорбентом) или пленка жидкости, нанесенная на твердое вещество.

Подвижная фаза представляет собой жидкость или газ, протекающий через неподвижную фазу, иногда под давлением.

Компоненты анализируемой смеси (сорбаты) вместе с подвижной фазой передвигаются вдоль стационарной фазы. Ее обычно помещают в стеклянную или металлическую трубку, называемую колонкой. В зависимости от силы взаимодействия с поверхностью сорбента (за счет адсорбции или по какому-либо другому механизму) компоненты будут перемещаться вдоль колонки с разной скоростью. Одни компоненты останутся в верхнем слое сорбента, другие, в меньшей степени взаимодействующие с сорбентом, окажутся в нижней части колонки, а некоторые и вовсе покинут колонку вместе с подвижной фазой (такие компоненты называются неудерживаемыми, а время их удерживания определяет “мертвое время” колонки).

Изначально метод хроматографии требовал громоздкой аппаратуры и длительного времени анализа.

Однако достижения в разработке датчиков и методов реализации хроматронов позволили обеспечивать экспресс-анализ и портативность аппаратуры.

Примером может послужить отечественный портативный газовый хроматограф ФГХ-1 - это полностью автономный прибор с применением высокочувствительного фотоионизационного детектора [64]. Хроматограф ФГХ-1 является современным автоматизированным средством экспресс определения концентраций вредных веществ и предназначен для комплектования передвижных и стационарных аналитических лабораторий, инспекций санэпиднадзора и спасательных групп МЧС.

Определяемые соединения - предельные и непредельные углеводороды, спирты, простые и сложные эфиры, ароматические углеводороды, кетоны, нефтепродукты, растворители, хлорпроизводные углеводородов, хлористый винил, стирол, сероуглерод и др.

Хроматографические методы по видам тех вспомогательных средств, которые в них используются, по технике выполнения классифицируются на колоночную (неподвижная фаза находится в колонке) и плоскостную — бумажную и тонкослойную [65].

С точки зрения методических особенностей, тонкослойная хроматография (ТСХ) является наиболее простым методом хроматографии, сочетающим такие качества, как универсальность, высокая чувствительность, быстрота и простота выполнения анализа. Благодаря этим качествам, а также несложности оборудования, наглядности, четкому разделению ничтожно малых количеств разделяемых веществ (от 0,1 до 0,005 мкг) и надежности их идентификации, методТСХ широко используется для анализа пищевых продуктов.

ТСХ можно рассматривать как разновидность метода бумажной хроматографии. Вместо свободно свисающих полос бумаги используют стеклянныепластинки, на которые тонким слоем наносят подходящий сорбент. На такой слой на стартовую линию наносят анализируемую смесь веществ, а край пластинки ниже стартовой линии погружают в систему растворителей. По мере продвижения жидкости на пластинке происходит разделение смеси веществ из-за действия сил адсорбции, распределения, ионообмена или совокупности действия всех перечисленных факторов.

ТСХ прочно вошла в практику современных аналитических лабораторий. Этим методом исследуют липиды, аминокислоты, нуклеотиды, сахара, фенолы, витамины, алкалоиды и другие соединения.

Недостатком хроматографического метода является узкая селективность. Хроматографы работают в узком диапазоне исследуемых веществ.

Оптические системы датчиков

Оптические сенсорные системы наиболее близки классическим системам матрицы датчиков, потому что размер вывода данных может быть точно определен и адаптирован. Взамен принципов преобразования, основанных на изменении проводимости, потенциала, тока или частоты, измеряется модуляция световых свойств [66]. Вообще, оптические приборы более сложны, но предоставляют множество различных измерительных возможностей. Выбор применимых технологий высок в диапазоне от разнообразных источников для передачи по оптическим волокнам, до детекторов, таких как фотодиоды, CCD и CMOS камеры. Поэтому, различные режимы работы были разработаны и воплощены с помощью изменения оптической плотности, флуоресценции, оптической толщины слоя и поляризации.

Наиболее прямой метод измеряет поглощение анализируемого газа в специфическом диапазоне частот. Этот метод применим, например, для двуокиси углерода, но слишком нечувствителен (в пределах оправданных технического усилий) для других компонент в нижнем диапазоне концентраций. Поэтому, в других случаях используется взаимодействие с чувствительным уровнем. Самый простой подход использует изменяющий цвет индикаторы, такие как металлопорфирины, и измерения с LED и системой фотодетекторов с анализом их меры поглощения от экспозиции анализируемого газа. Еще более чувствительным являются флуоресцирующие методы; они используют подобную установку, но детектируют не меру поглощения света, а световую эмиссию на более низких длинах волн.

Для рефлектрометрической интерференционной спектроскопии чувствительные слои подобны полимерным слоям, используемым для гравиметрических методов. Однако в этом случае изменения в оптической толщине слоя, а не увеличении веса принимаются в качестве сигнала датчик.

Масс-спектрометрия

Комбинация масс-спектрометров с газовыми хроматографами часто применяется для лабораторной аналитики или как автономные устройства для идентификации чистых химических продуктов [67]. После ионизации составов, используя термоэлектронные эмиссию электронов (электронная ионизация) или взаимодействие с ионами реагента (химическая ионизация), молекулы ионов и их фрагменты разделяются в зависимости от их массы к заряду (m/z). Это имеет место в электрическом и/или магнитным полем, и в настоящее время множество масс-анализаторов установлено. Чтобы упомянуть только несколько из них, секторный инструмент - классический подход с перестраиваемыми статическими полями, тогда как квадрупольный масс-анализатор состоит из четырех параллельных металлических стержней и фильтрует несколько ионов, генерируемым электрическим полем. Наконец, ионы сталкиваются в электронном умножителе, и ток измерен. Недостаток всех типов масс-спектрометров - то, что их работа требует вакуума, и поэтому, они не столь удобны как твердотельные массивы датчиков.

Это обстоятельство также приводит к дополнительным затратам. Когда система используется в качестве электронных носов с газообразной выборкой без предварительной сепарации, хромотографическая последовательность отсутствует. Каждое m/z отношение можно рассматривать как отдельный виртуальный сенсор и анализировать, используя алгоритм распознавания образов. Несмотря на более высокую техническую сложность, этот подход, вообще, показывает не лучше результаты для обнаружения аромата, по сравнению с классическими электронными носами, но имеет преимущества для определенных задач. Например, масс-спектрометр доказал свою возможность обнаружить пептиды в более высокой области масс и был использован для смесей феромонов пептида.

Спектрометрия подвижности ионов

Принцип работы спектрометрии ионной подвижности (ion mobility spectrometry - IMS) заключается в фильтровании ионов также, как и в случае масс-спектрометрии [68]. В IMS это более легко реализовать, потому что цель состоит не в том, чтобы отделить целевые молекулы исключительно по их разности отношения масса/заряд реагирующих веществ, но также использовать их различную мобильность. Это означает, что их уменьшаемая масса и их заряд, различные соударения в поперечных сечениях, определяемые размером и формой, имеют прямое влияние на разделимость ионов. Таким образом, используются столкновения между ионами и молекулами окружающего воздуха, и измерение может быть выполнено при нормальным давлении.

Инфракрасная спектроскопия

Инфракрасная (ИК) спектроскопия может также рассматриваться как электронный нос [69]. В диапазоне между 4000 и 200 см^-1 молекулярных колебаний и выше высшие энергетические уровни возбуждены. Через характерные полосы поглощения может быть определен тип химических связей, и чистые химические продукты могут быть идентифицированы их уникальным спектром цифрового отпечатка. Спектр, соответствующий смесям, оценивается классическими электронными алгоритмами носа. Для обнаружения материй в газовой фазе доступны два возможных метода для мобильных устройств. В фотоакустической инфракрасной спектроскопии, модуляция интенсивности источника ИК вызывает температурную вариацию, и в результате, расширение и сжатие газа измеряется как звуковые частоты с микрофона. Альтернативно, поглощенная энергия от узкополосного инфракрасного луча измеряется, методом инфракрасной спектроскопии с использованием фильтров. Коммерчески доступные устройства (например, Sapphire MIRAN), главным образом используются для абсолютных измерений концентрации или обнаружении единственной разновидности, у которого есть уникальная длина волны поглощения или для анализа множества длин волн для известной газовой смеси. Однако там, где компоненты газовой смеси неизвестны, эти инструменты могут также быть комбинированы с методами распознавания образов и использоваться в качестве электронного носа. Несмотря на подтвержденную выполнимость, электронный нос, основанный на инфракрасном излучении, не стал популярным и коммерчески доступным устройством, скорее может быть рассмотрен как мобильный аналитический инструмент, чем как электронный носы.

Сенсоры веществ

Обсуждаемые типы электронных носов имеют одну общую характеристиу, они измеряют ряд функций, впоследствии анализируемых установленным алгоритмом, чтобы сравнить выборки качественным или количественным способом, не ставя задачу точной идентификации или концентрации компонентов составов [70]. Аналогично человеческому обонянию, результат только должен определить идентификацию выборки (апельсин или яблоко), проверить вариации (сравнить партии), или прогнозировать разности между выборками (например, проверять корреляцию аромата с браком). В этом контексте детальные аналитические результаты композиции не требуются и часто не доступны. Каждый сенсор не предназначен обнаруживать одно вещество одним сенсором, но каждый сенсор должен иметь широкую избирательность и позже извлекать требуемую информацию, сравнивая сигналы сенсоров. Для электронных носов на основе хроматографа ограничено число обнаруживаемых целевых молекул на сенсор. Поэтому такой электронный нос может легко отличать полярные и неполярные вещества, или низкую и высокую летучесть соединений, в зависимости от используемой колонки. Следующий шаг должен включать детекторы, которые в состоянии обнаружить только одно интересующее вещество/класс, а не все существующие компоненты. Это может быть:

• устройство, специфическое для определенного класса, такое как спектрофотометр пламени, который только обнаруживает составы, содержащие фосфор;

• автономное устройство широкой избирательности, такое как детектор удельной теплопроводности, измеряющий почти каждое композиционное изменение в воздушной выборке. Строго говоря, они - весьма зависимые электронные носы, но они могут быть интегрированы как дополнительный модуль, обеспечивая дополнительную информацию.

Фотометрический детектор пламени (FPD) основан на разложении любых органических соединений в водородном пламени. Если фосфор или сера будут присутствовать, то специфическая длины волны света будет излучаться. После того, как другие длины волн маскируются фильтрами, фотоумножитель обнаруживает концентрацию одного из элементов. Поскольку фосфор и сера присутствуют в классических газах нервно-паралитического действия, эта технология часто используется в военной области применения/области применения безопасности.

Другой ранее упомянутый детектор это фотоионизационный детектор. Его также возможно использовать в качестве автономного детектора, чтобы измерить все летучие органические соединения, у которых есть потенциалы ионизации, равные или меньшие, чем энергия ультрафиолетового облучения. Например, с помощью 9,5 эВ лампы можно обнаруживать амины, бензол, и ароматические соединения. Лампой с 10.6 эВ дополнительно обнаруживают аммиак, этиловый спирт, и ацетон, тогда как ацетилен, формальдегид, и метанол можно обнаруживать только при использовании 11.7 эВ ламп.

Комбинированные технологии

Комбинация различных сенсоров или технологий обнаружения приводит к увеличению диапазона селективности, но определяет одновременно увеличение сложности установки и, соответственно, дополнительные затраты на устройство. Таким образом, комбинация различных технологий приемлема только для следующих двух случаев: во-первых, для специальной задачи, где единственная технология не дает удовлетворительных результатов и, во-вторых, для универсального электронного носа с максимумом прикладных возможностей. Идеальный универсальный электронный нос не существует. Однако системы, которые могут быть применены к большему количеству приложений, возможны.

В настоящее время предложены ряд устройств, использующих электронный нос. Приведем описание одного из них.

Система передачи запахов на расстояние

Система предназначена для передачи информации о запахах передаваемого объекта. Цель изобретения заключается в достижении возможности передачи на расстояние радиосигнала, содержащего не только информацию об изображении и звуке, но также и информацию о запахе передаваемого объекта.

Известны системы для передачи черно-белого и цветного изображения, сопровождаемого звуковой информацией, а также просто звука на расстояние [71].

К недостатку известных систем для передачи сигнала об изображении, сопровождаемого звуковой информацией, а также просто звука на расстояние относится то, что все они не содержат в своем сигнале информации о запахах передаваемого объекта.

Цель изобретения заключается в достижении возможности передачи на расстояние радиосигнала, содержащего не только информацию об изображении и звуке, но также и информацию о запахе передаваемого объекта.

Цель достигается тем, что сигнал о запахе передаваемого объекта (оригинальный запах) сравнивается с подобранным электронным путем сигналом от известного одорофона [71] и в момент их совпадения подбор запахов от одорофона прекращается и осуществляется передача на расстояние сигнала о состоянии одорофона передающей стороны, а на приемной стороне, которая содержит такой же одорофон и вентилятор, с помощью этого сигнала устанавливается аналогичный передающей стороне подбор запахов, копирующий оригинальный запах передаваемого объекта.

Предлагаемая система для передачи запахов, представленная на рисунке 2.5, на расстояние содержит: на передающей стороне - передаваемый объект, вентилятор, засасывающую трубу, электронные носы, чувствительные к оригинальным запахам, электронный мозг, осуществляющий сравнение сигналов об оригинальных запахах с сигналом, полученным от одорофона, генератор, осуществляющий поиск правильного набора электрических сигналов, подогревающих пробирки одорофона с душистыми веществами, дающими базисные запахи, подогреватели пробирок, одорофон, в котором осуществляется подбор запахов, вентилятор с засасывающей запахи от одорофона трубой, электронные носы, чувствительные к соответствующим базисным запахам, соединенные в одну электрическую цепь, а также передатчик радиосигнала о правильном наборе запахов; а на приемной стороне - приемник радиосигнала о правильном наборе запахов, блок подогревателей пробирок одорофона, собственно одорофон и вентилятор.

Рисунок 2.5- Система передачи запахов

Входы электронного мозга подключены к электронным носам, расположенным в трубах, в одну из которых при помощи вентилятора засасывается оригинальный запах от передаваемого объекта, а в другую при помощи вентилятора засасывается запах от одорофона, а выходы электронного мозга соединены со входами генератора электрических сигналов, одни выходы которого соединены с подогревателями пробирок одорофона, а другие выходы соединены с передатчиком радиосигналов; выходы приемника радиосигнала соединены с блоком подогревателей одорофона приемника, запах от которого гонится при помощи вентилятора в сторону телезрителей или радиослушателей.

Система для передачи запахов на расстояние эксплуатируется следующим образом.

Запах от передаваемого объекта засасывается в трубу вентилятором . Электронные носы , расположенные в трубе, воспринимают запах и превращают информацию о нем в электрический сигнал, который подается на один из входов электронного мозга, на другой вход электронного мозга подается сигнал, полученный аналогичным способом от одорофона при помощи трубы, вентилятора и электронных носов, соединенных в одну электрическую цепь. В электронном мозгу осуществляется сравнение электрических сигналов, полученных от передаваемого объекта и от одорофона. Когда наступает равенство сигналов, на генератор, осуществляющий поиск правильного набора электрических сигналов, подаваемых на подогреватели одорофона, из электронного мозга подается электрический сигнал о прекращении генерации и происходит передача найденного набора электрических сигналов, подаваемых на подогреватели в передатчик. Далее на приемной стороне с приемника эти сигналы поступают на подогреватели одорофона приемной стороны, запах от которого при помощи вентилятора приемника гонится в сторону телезрителей или радиослушателей.