Детектор вибухових речовин забезпечили собачим носом

Американські інженери вдосконалили систему детекції вибухових речовин, забезпечивши її штучним собачі носом, здатним до «активного нюхання». Стаття опублікована в журналі.

Традиційні системи виявлення вибухівки, наркотиків та інших заборонених речовин засновані або на пасивному попаданні молекул летючих речовин з повітря на сенсорний чіп, або на безперервному засмоктуванні повітря в пристрій. Брак пасивного підходу полягає в тому, що для виявлення чого-небудь детектор потрібно піднести безпосередньо до зразка. Детектори, засновані на засмоктуванні повітря, більш чутливі, однак і вони здатні виявляти вибухові речовини тільки в межах певного радіусу, на який поширюється засмоктувальна сила пристрою.

Собачий ніс, на відміну від штучних систем виявлення речовин, здатний активно нюхати (тобто вдихати і видихати повітря) для захоплення молекул, що містяться в повітрі. Кожен видих собачого носа при цьому допомагає подальшому вдиху: потоки теплого видихуваного повітря «здувають» молекули з поверхневого шару речовини, дозволяючи вдихнути їх при наступному вдиху. Потоки видихуваного повітря при цьому спрямовані вниз і вбік, що дозволяє не тільки не здути летючі речовини, що знаходяться безпосередньо перед носом, але і затягнути їх ближче до ніздрів для подальшого вдиху. У результаті серій з таких вдихів і видихів, що відбуваються з частотою близько 5 разів на секунду, собачий ніс активно захоплює молекули летючих речовин на досить великій відстані.

Автори вирішили використовувати механіку собачого носа для удосконалення існуючого детектора VaporTracer. За допомогою 3D-принтера інженери надрукували модель собачого носа, засновану на характеристиках носа самки лабрадора, включаючи форму, напрямок носових каналів і відстань між ніздрями. Приєднавши цей ніс до детектора, автори відтворили в ньому рух повітря з тією ж частотою вдихів і видихів, яка спостерігається в справжньому собачому носі. Рух повітря в цій системі автори аналізували за допомогою шлірен-методу, що дозволяє візуалізувати повітряні потоки за рахунок виявлення оптичних неоднорідностей у прозорих заломлюючих середовищах, і високошвидкісної зйомки.

Виявилося, що штучний собачий ніс здатний нюхати не гірше справжнього: під час кожного видиху повітря не тільки видихалося вбік, а й дозволяло затягувати порцію повітря для наступного вдиху. Автори також порівняли роботу детектора VaporTracer з прикріпленим до нього штучним носом зі звичайним режимом роботи детектора, під час якого він засмоктує повітря кожні 10 секунд. Як тестову речовину використовувався диметилформамід - органічна сполука з вкрай слабким запахом. Виявилося, що детектор з носом здатний розпізнавати диметилформамід на відстані 4 сантиметри в 16 разів ефективніше, ніж детектор, що працює в звичайному режимі.

Собаки мають дуже гострий нюх і здатні розпізнавати навіть слідові кількості летючих речовин. Завдяки цьому їх використовують для пошуку вибухівки і наркотиків. Крім того, показано, що собаки здатні вловлювати молекулярні маркери діабету I типу і раку легенів - хоча в останній їх здібності вчені недавно засумнівалися.