كيف يشم «الأنف الإلكتروني» بشكل أفضل؟

دراسة صينية تتحدث عن 5 تحديات

تخيل لو كان بإمكانك أن تطلب من آلةٍ «شم» شيء ما لك بنقرة زر واحدة... هذا ما يمكن أن تقوم به الأنوف الإلكترونية، فهي أنظمة تجمع بين مستشعرات الغاز الكيميائي ومعالجة الإشارات وخوارزميات التعلم الآلي لتقليد حاسة الشم، ويمكن استخدامها لأغراض عديدة، مثل فحص جودة الطعام، ومراقبة تلوث الهواء، وتشخيص الأمراض، واكتشاف المتفجرات.
وخلال دراسة نُشرت في العدد الأخير من دورية «الحوسبة الذكية»، ناقش باحثون من جامعة نورث وسترن للعلوم التطبيقية في شيان بالصين، التحديات التي تواجه الأنوف الإلكترونية، وكيف يمكن تحسين أدائها. وأشاروا إلى أن هذه الأنوف تحاكي بشكل مصطنع حاسة الشم البيولوجية.
وتتوافق مستشعرات الغاز في الأنوف الإلكترونية مع الخلايا العصبية لمستقبلات الشم البيولوجية، فعندما تشم شيئاً ما، تطفو جزيئات صغيرة في الهواء وتدخل أنفك، وبالمثل، يمكن لمستشعر الغاز التقاط الجزيئات المحمولة جواً من خلال نظام سحب الهواء، ويتفاعل المستشعر مع هذه الجزيئات ويتغير بطريقة يمكن قياسها بالإشارات الإلكترونية، ثم يتم تحويل هذه الإشارات من تنسيق تناظري إلى تنسيق رقمي، بحيث يمكن لأجهزة الكومبيوتر استخدام الخوارزميات لتحليل البيانات وتفسيرها.
وعلى الرغم مما تحقق من نجاح في هذا المجال، فإنه توجد مجموعة من التحديات التي أشارت إليها الدراسة، ومنها ما يُعرف بـ«القيود على الانتقائية»، وتعني أنه «عند التعرض لخليط الرائحة، تستجيب مستشعرات الغاز للمحفزات الموجودة في الخليط جميعها، ما يجعل من الصعب تمييز الروائح المختلفة، وقد تتأثر أيضاً برائحة غير مستهدفة، وقد تستجيب أجهزة الاستشعار المختلفة بشكل مختلف للتحفيز الكيميائي نفسه».
ومن التحديات الأخرى «حدود الحساسية»، حيث يعمل كل مستشعر غاز ضمن نطاق محدد بالحدَّين الأدنى والأقصى للكمية التي يمكنه اكتشافها، وبعضها أكثر حساسية من البعض الآخر، لكن نطاق مستشعر معين غير معروف دائماً، وتختلف المستشعرات أيضاً في قدرتها على اكتشاف تركيز الرائحة بدقة.
ومن التحديات أيضاً، أنه توجد «قيود على الاستقرار»، فغالباً لا تنتج مستشعرات الغاز استجابة مستقرة وقابلة للتكرار للمحفزات الكيميائية نفسها؛ بسبب تقادم المواد أو التغيرات البيئية أو فشل المستشعر، ومن القيود أيضاً، أنه قد يكون لجهازي استشعار للغاز من النوع نفسه استجابات مختلفة للغاز نفسه تحت الظروف نفسها.
وأخيراً، قد تكون هناك «قيود على الضوضاء»، حيث تتأثر مستشعرات الغاز بالضوضاء الخارجية والداخلية، وتشمل مصادر الضوضاء الخارجية تباين رائحة الخلفية، واضطراب تدفق الهواء، والتغيرات في درجة الحرارة والرطوبة والضغط في البيئة المحيطة، وتتكون الضوضاء الداخلية من الضوضاء الناتجة عن دوائر القياس وأجهزة الاستشعار نفسها.
يقول جينجدونغ شين، الباحث الرئيسي بالدراسة في تقرير نشره في 7 أبريل (نيسان)، الموقع الإلكتروني لجامعة نورث وسترن، إن الهدف من هذه المراجعة البحثية هو تأكيد أن تقنية «الأنوف الإلكترونية»، لا تزال بحاجة إلى التحسين، عبر مواجهة تلك التحديات المهمة.
ويضيف: «من المهم الخوض في النموذج الرياضي الأساسي لآليات الاستشعار، وهو الأساس لحل عديد من التحديات المتعلقة بالأنوف الإلكترونية»، مؤكداً أنه «على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في العقود القليلة الماضية، فإن النشر على نطاق واسع للأنوف الإلكترونية في التطبيقات العملية لا تزال أمامه طريق طويلة لنقطعها».