03:37 22 Oktober 2020
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    Wissenschaftler der Staatlichen Technischen Gagarin-Universität in Saratow haben zusammen mit Kollegen vom Karlsruher Institut für Technologie (Deutschland) und der Manas-Universität (Kirgisistan) eine effektive Methode entwickelt, bei der elektronischen Nasen neues Wissen beigebracht wird.

    Die Ergebnisse der Studie sind in der Fachzeitschrift "Sensors" veröffentlicht.

    Elektronische Nasen sind kompakte Vorrichtungen zur Erkennung des Geruchs eines breiten Spektrums von Chemikalien. Im Gegensatz zu einfachen Gassensoren können sie nicht nur Mischungen unterscheiden, sondern sich auch neue Gerüche durch Training mit Hilfe künstlicher Intelligenz merken.

    Seit 30 Jahren versuchen Wissenschaftler, effektiv funktionierende elektronische Nasen zu schaffen. Die Grundidee besteht darin, nicht zu bestimmen, welche Geruchsmoleküle in der Luft auftauchen, sondern einfach mehrere Gassensoren zu nehmen, die auf das Auftauchen von bestimmten Verunreinigungen in der Luft reagieren. Und danach kommt die "künstliche Intelligenz" zum Einsatz — der Computer lernt, bestimmte Gerüche zu erkennen.

    Die Schulung der elektronischen Nase ähnelt einem Training von Spürhunden: Einem  mit Sensoren ausgestatteten Computer wird ein entsprechender Geruch angezeigt, der durch seine Bezeichnung festgelegt wird. Stellen wir uns vor, der Sensor ist darauf gerichtet, die Atmosphäre nach dem Duft einer Rose zu durchsuchen. Der Computer merkt sich, was für eine "Gestalt" die Rose hat und grenzt sie anschließend beispielsweise vom Aroma des Sauerkrauts ab.

    Wenn die elektronische Nase jedoch unter realen Bedingungen getestet wird und in der umgebenden Atmosphäre eine Menge von unkontrollierten Verunreinigungen entsteht, so fängt sie im Gegensatz zu den biologischen Geruchssystemen an, bereits nach einigen Tagen vieles durcheinanderzubringen. Wissenschaftler, die sich oft mit Gassensoren befassen, wissen natürlich, was los ist.

    „Das liegt daran, dass die Sensoren instabil sind und ihre Werte mit der Zeit driften“, sagt einer der Autoren, Professor der Abteilung für Physik der Technischen Gagarin-Universität, Wiktor Sysojew. Deswegen benötigt man stabile Sensoren, die die Drift vermeiden. Wir haben an der elektronischen Nase, die auf einer Multisensor-Matrix aus Metalloxid basiert, gezeigt, wie man dieses Problem angeht. 

    An der Staatlichen Technischen Gagarin-Universität in Saratow wurden stabile hochempfindliche Sensoren auf Basis von einkristallinen Nanofasern entwickelt. Jedoch stellte sich heraus, dass elektronische Nasen auf ihrer Basis nur eine oder zwei Wochen lang fehlerfrei Gerüche erkennen können und danach eine Neukalibrierung benötigen.

    Daraufhin versuchten die Spezialisten von der Technischen Gagarin-Universität, dieses Problem von einer anderen Seite zu betrachten. Dies ist ein schneller Algorithmus zur Neukalibrierung der Sensoren mit der Möglichkeit der Feinabstimmung beim Laufen des Geräts.

    „Wir stellten fest, dass die Stabilität der elektronischen Nase hauptsächlich von zufälligen Schwankungen in der Zusammensetzung der Umgebungsluft abhängt, und das zusätzliche Training für die Nase ihre Stabilität über Jahre sichert“, fügt Wiktor Sysojew hinzu. „Darüber hinaus haben wir erstmals bewiesen, dass das Gerät mehr als acht Jahre funktionieren kann, niemand hat so lang und erfolgreich mit künstlichen Nasen gearbeitet.“

    Für die Realisierung und das Testen der Idee wurde im Karlsruher Institut für Technologie ein „Demonstrator“ der elektronischen Nase aufgestellt, der sorgfältig (innerhalb von 2 Wochen) über die Auswirkungen der drei „Gerüche“: eines Feuerzeugs, eines Filzstiftes, und „saubere“ Luft kalibriert wurde. Dann begann man das Gerät nach dem entwickelten Algorithmus zusätzlich zu „schulen“. Das heißt, wenn man einen Filzstift der elektronischen Nase näherbringt, erkennen die Sensoren seinen Geruch und verwenden automatisch die empfangenen Daten für ihre Anpassung an den aktuellen Zustand der Luft. Dieses System funktioniert seit 2009 fehlerfrei.

    Diese Entwicklung ist von großer Bedeutung für die Praktiker, weil auf ihrer Grundlage eine „ideale“ elektronische Nase — ein stabiles und technisch einfaches Werkzeug für die Analyse gasförmiger Medien — geschaffen werden kann.

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    Tags:
    Nase, Prothese, Erfindung, Forscher, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Kirgistan, Karlsruhe, Deutschland