Полупроводниковые сенсоры, отличающиеся дешевизной и низким энергопотреблением, используются в сферах, где нужны частые измерения: так, по концентрации газов в парниках можно определить спелость выращиваемых фруктов и овощей, а по содержанию CO2 в холодильниках – оценивать состояние скоропортящихся продуктов. Другой пример – здравоохранение: пациенты с диабетом первого типа выдыхают воздух с содержанием ацетона, поэтому по его количеству можно понять, когда необходима инъекция инсулина.
Однако у полупроводниковых сенсоров есть недостаток: из-за чувствительности эти устройства реагируют на присутствие целого ряда веществ, что затрудняет получение информации о содержании конкретного соединения. Повысить избираемость сенсоров можно за счет подражания обонянию человека.
«Электрическое сопротивление чувствительного материала, в нашем случае — ткани из углеродных нанотрубок, меняется в ответ на присутствие многих газов. Но оно может меняться по-разному в ответ на разные газы в разных концентрациях, и здесь кроется технологическая возможность. Ведь обоняние человека тоже устроено так, что рецепторы в эпителии реагируют на самые разные вещества. Но разные группы рецепторов реагируют на каждый запах по-своему. И по силе активации связанных с ними нейронов мозгу удаётся распознать, с каким запахом имеет дело нос», – цитирует Сколтех аспиранта Константина Заманского.
По тому же принципу можно одновременно использовать несколько полупроводниковых сенсоров, каждый из которых будет реагировать на тот или иной тип газа. Это своего рода «искусственный» нос, который может реагировать на наличие смеси газов в воздухе. Ученые Сколтеха сделали в этом направлении шаг вперед, сумев получить многомерный сигнал от одного и того же сенсора, но при разных температурах.
Авторы создали датчик, в котором чувствительный материал – фрагмент ткани из одностенных углеродных нанотрубок – был подвешен между двумя электродами. Такое решение позволило почти мгновенно нагревать или охлаждать сенсор: за 40 секунд прибор успевает измерить сопротивление при 400 различных температурах в диапазоне от 25 °C до 125 °C. Эти 400 значений представляют паттерн запаха, который можно распознать с точностью в 90% с помощью модели машинного обучения.
Разработка Сколтеха позволяет использовать всего один датчик для фиксации сразу нескольких разных газов. Поэтому результаты исследования позволят удешевить детекцию вредных примесей.
