mehraboOon
02-23-2011, 02:48 AM
سیستم بیومتریک رایحه:
در این مقاله ، موضوع تشخیص انسان از طریق رایحه بدن؛ مورد بررسی قرار گرفته است. با یادآوری این نکته که روش مذکور هنوزدر مرحله تحقیق و ساخت بوده ، هیچ گونه کاربرد تجاری قابل دسترس در بازار ندارد. با اینحال، امروزه ازسیستم های دیگر تشخیص رایحه بطور گسترده در سایر امور روزمره استفاده می شود. در این مقاله اجزای اصلی ) ENoseبینی الکترونیکی ) مورد بررسی قرار گرفته است.
1 - مقدمه:
تعریف بیومتریک از دیدگاه فنی معادل تکنیک خودکار ارزیابی خصوصیات فیزیکی یک شخص و مقایسه آنها با اطلاعاتی جامع است که در نهایت دستیابی به هویت شخص را ممکن می سازد. لذا واژه بیومتریک به دنبال پاسخ این سوال است که " آیا من تو را می شناسم؟"
1.1- اهمیت حس بویایی :
حس بویایی یکی از پنج حواس اصلی (بینایی ، بویایی ، چشایی ، شنوایی و لمسی) بوده و دارای اهمیت فوق العاده بالایی در انسان می باشد. دانشمندان زیادی، بمدت چندین دهه، برای درک فرایند بویایی تلاش کرده اند. درک این فرایند کار سختی است ، چرا که مردم اغلب حتی برای پیدا کردن کلمات جهت توصیف رایحه استشمام شده، با مشکل مواجه می شوند. با این حال ، رایحه ها بطورعمیقی در زندگی و خلق و خوی ما تاثیر دارند. نادیده گرفتن ناراحتی(رایحه بدبو) ، کشش و جاذبه (رایحه خوش بو) و سایر واکنش های ناشی از رایحه های مختلف کاری دشواراست، زیرا سلول های عصبی بینی مستقیما به بخش بسیار حساسی از مغز متصل هستند که دراصطلاح غده بویایی نامیده می شود. اما همچنان فرایند استشمام ناشناخته است. مشکل اصلی، در ادراک رایحه این است که استمرارفیزیکی که درمورد دو حس بینایی و شنوایی موجود است (یعنی پیوستگی فرکانس صدا در شنوایی یا قانون چرخه نیوتن برای مشاهده رنگ ها دربینایی) درحس بویایی وجود ندارد. می توان پا فراتر گذاشت و گفت که حتی هیچ تستی برای ارزیابی کیفیت رایحه استشمامی در طول آزمایشات وجود ندارد. هدف اصلی در تشخیص رایحه انسان، ساخت یک سیستم الکترونیکی براساس مدل بویایی انسان و به همان اندازه حساس می باشد. لذا قبل از ساخت این دستگاه، بایستی ساختار اصلی بویایی در انسان، مطالعه شود.
2-مدل بویایی انسان: حس بویایی نقش مهمی در زندگی انسان برعهده دارد.
هر ماده ای که دارای رایحه است، دائما مقدار بسیار کمی از مولکول هایش تبخیر می شود که بوی خاصی را تولید میکنند که به اصطلاح مواد رایحه دار - odorants نامیده می شوند. هرنوع گیرنده حسی که قادر به شناسایی این مولکول هاست، یک گیرنده شیمیایی نامیده می شود. در اینصورت، بینی انسان یک گیرنده بزرگ شیمیایی بحساب می آید. توانایی استشمام انسان درمقایسه با حیوانات چندان کامل نیست. مغز بشرفقط 4،8 سانتیمتر مربع را به کل دستگاه بویایی اختصاص داده است. درحالیکه سگ 65 سانتیمتر مربع و کوسه 3/2 مترمربع از مغز را بکار می برد! ولی با وجود کوچک بودن سطح بویایی در انسان، تعداد 40 میلیون گیرنده بویایی دردستگاه بویایی وجود دارند که تشخیص حتی مقادیر بسیار جزئی از مواد شیمیایی را امکان پذیر می سازند. چنانکه برخی از رایحه ها می توانند به نسبت یک در تریلیون غلظت هوا، تشخیص داده شوند! با اینکه پردازش اطلاعات بویایی در انسان فوق العاده پیچیده است ولی بشر توانسته است برخی از مکانیسم های پردازش اطلاعات توسط مغز را درک کند. با این حال ، خواص دینامیکی مغز هنوز بطور کامل شناخته نشده است. بیشترین تحقیقات مهیج برای درک فرایند استشمام، توسط فریمن(Freeman ) ارائه شده است .او نشان داد درغده بویایی (که وظیفه اصلی درک رایحه را برعهده دارد)، تک تک سلول ها درادراک بویایی شرکت میکنند و یک گیرنده بویایی به تنهایی قادر به شناسایی یک نوع بوی خاص نمیباشد!
کارکرد اصلی سیستم بویایی اجمالا شامل 5 بخش می باشد: استشمام، دریافت رایحه، ارزیابی، تشخیص و پاک کردن اثر رایحه. پدیده بویایی با استشمام آغاز می شود که رایحه های دریافتی را بصورت مخلوطی با غلظت یکنواخت در می آورد تا جذب لایه موکوسی* واقع در قسمت بالای حفره بینی شوند. سپس این مولکول ها در این لایه حل شده و به مژک های موجود درگیرنده های بویایی منتقل میشوند. پدیده دریافت رایحه، شامل اتصال مولکولهای رایحه به گیرنده های بویایی است. مولکول های رایحه، بطور موقت به پروتئین ها یی(در گیرنده) متصل می شوند که نتیجه آن ایجاد تحریکات خودکار در گیرنده می باشد. این تحریکات به نوبه خود، باعث ایجاد واکنش های شیمیایی می شود و تولید سیگنال های الکتریکی نتیجه آن خواهد بود. این سیگنال ها نیز به نوبه خود، از سلول های گیرنده رایحه به غده بویایی، منتقل می شوند و از آنجا اطلاعات به قشر بویایی(که بخش تشخیص رایحه است) انتقال یافته، سپس به مغز فرستاده می شود. باید یادآور شد که هیچ گونه گیرنده ویژه بویایی در مغز وجود ندارد که قادر به تشخیص رایحه ای خاص باشد. بلکه مغز یک ارگان کلیدی است که سیگنال های دریافتی بویایی را به رایحه ای خاص نسبت می دهد که معادل شناسایی رایحه است. مرحله نهایی درفرایند بویایی، پاک سازی آثار رایحه از گیرنده های بویایی است. این امر مستلزم تنفس هوای تازه برای زدودن مولکول های رایحه قبلی، از روی گیرنده های بویایی است.
برای درک مکانیسم فرایند بویایی، مدل بویایی انسان در شکل 1 نمایش داده شده است:
شکل 1
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-1.jpg
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، هوایی که محتوی مولکول های رایحه است از طریق سوراخ های دو طرف بینی تنفس شده و بسمت پایین(شش ها) جریان میابد. در طی استشمام، هوا درقسمت بالای حفره بینی می پیچد که اپیتلیوم بویایی موکوسی (شکل6) در آن قرار دارد. در این قسمت، مجموعه کوچکی از 10میلیون سلول بویایی تخصص یافته وجود دارند که دارای ریزمژک هایی بر روی سطح خود میباشند. ذرات رایحه موجود در هوا به مژک ها می چسبد و باعث ایجاد سیگنال های عصبی در سلولهای بویایی می شوند که به غده بویایی فرستاده می شوند. سپس، سیگنال ها قبل از اینکه از قشر بویایی به مغز بروند توسط مرکز پیش پردازش مرتب می شوند تا درنهایت بعنوان رایحه های مختلف ازهم تفکیک داده شوند.
3- مدل بینی الکترونیک
برای ساختن یک بینی الکترونیکی بایستی تا جایی که ممکن است از تمام جزییات و کارکرد دقیق دستگاه بویایی انسان استفاده شود، بطوریکه بتواند مانند بینی انسان ارزیابی اتوماتیک و طبقه بندی انواع رایحه ها، بخارات و گازها را انجام دهد.
بینی الکترونیکی بعنوان تلفیقی ازدو بخش: (1)سیستم گیرنده رایحه (2) بخش تشخیص الگو تعریف می شود. نمایش الگوی بینی الکترونیکی را می توان در شکل 2 یافت:
شکل 2
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-2.jpg
3.1) سیستم گیرنده:
سیستم گیرنده : وظیفه اصلی این بخش دریافت رایحه هاست بعبارت دیگر، آرایه ای ازگیرنده های شیمیایی است که در آن هر یک گیرنده، مولکول خاصی از مولکول های موجود در رایحه را شناسایی می کند. هر آرایه می تواند بصورت یک گیرنده برای یک نوع رایحه خاص (یا) یک گیرنده برای ترکیب دو رایحه باشد. سپس برای هر رایحه ، یک الگوی ویژه در این بخش، ایجاد می شود، به معنای دیگر اطلاعات اولیه مربوط به سیگنال های دریافتی از انواع رایحه ها در این سیستم ایجاد و ذخیره می شود که بعدا در بخش تشخیص الگو، مورد استفاده خواهد بود. سیستم گیرنده در اصل، امکان ردیابی و دریافت رایحه از محیط را فراهم می سازد و ممکن است بصورت یک دستگاه سنجش رایحه یا گاز، کروماتوگراف و یا طیف سنج باشد. این دستگاه ها، مجموعه ای از مقیاس های سنجش را برای ارزیابی اجزای رایحه جدید فراهم می کند و از این رو برای تشخیص های پیچیده مانند ترکیبی از رایحه های مختلف، مناسبتر است.
برای درک بهتر ساختار گیرنده های بینی الکترونیکی و کارکرد آن ها، توضیحات مربوطه در انتهای مقاله در قسمت (انواع سنسورهای الکترونیکی بینی)آورده شده است.
3.2) بخش تشخیص الگو:
هدف این بخش، ایجاد یک سیستم ارزیابی و طبقه بندی رایحه هاست که درنهایت بتواند تشخیص خودکار آنها را انجام دهد. این فرایند شامل چند روش :
1- آماری
2-استفاده از شبکه عصبی مصنوعی / ANN**
3- استفاده از مشخصات و شکل اعصاب انسان در ساخت سنسورها می باشد.
بدیهی است که ایجاد یک مدل ریاضی ازغده بویایی واقعا دشوار است. مدلی که براساس بینی انسان ساخته شده است، در واقع متکی بر فعل وانفعالات متقابل رایحه های استشمام شده با مجموعه گیرنده هاست که یک الگوی قابل تشخیص را ایجاد میکنند.
3.3) پردازش سیگنال های بویایی و سیستم تشخیص الگو: یعنی شناسایی یک رایحه و برآورد غلظت آن .
این مرحله خود به چهار جز تقسیم می شود: 1)پیش پردازش 2) استخراج اطلاعات و ویژگی های رایحه، 3) طبقه بندی و 4) تصمیم گیری. این مراحل در شکل 3 قابل مشاهده است. اما، بایستی قبلا اطلاعات اولیه مربوط به رایحه، به دستگاه داده شود و نمونه آن در معرض آرایه سنسورهای بویایی قرار گیرد.
شکل 3
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-3.jpg
اکنون به مراحل پردازش سیگنال و تشخیص الگو در شکل 3 همزمان با توضیحات زیرتوجه کنید:
1- پیش پردازش:
این قسمت خطاهای سنسور را اصلاح کرده، سیگنال های دریافتی از آرایه سنسورها را منسجم ساخته، نوسانات مربوطه را کاهش می دهد. این تکنیک تحت عنوان مرتب سازی و بحالت طبیعی درآوردن پاسخ سنسورها شناخته می شود.
2- استخراج ویژگی های رایحه :
استخراج ویژگی ها دو هدف دارد: کاهش کادربندی فضای اندازه گیری شده و استخراج اطلاعات مربوطه برای تشخیص الگو. استخراج ویژگی ها معمولا با تغییرات خطی مانند PCA-Classical انجام می شود.
3- طبقه بندی:
رایج ترین روش برای انجام طبقه بندی، استفاده ازشبکه های عصبی مصنوعی (ANNs) است. شبکه عصبی مصنوعی، یک سیستم پردازش اطلاعات است که ویژگی های اجرایی آن، مشابه و مشترک با عملکرد شبکه های عصبی زنده در انسان می باشد. مرحله طبقه بندی، یک گروه فرضی از ویژگی ها را برای یک نمونه رایحه ناشناخته ایجاد کرده و در رده های مشخصی قرار میدهد.
4- مرحله تصمیم گیری :
پس از مرتب سازی اطلاعات در مرحله طبقه بندی، این اطلاعات برای تصمیم گیری نهایی آماده می شوند. هرگاه اطلاعات کاربردی خاصی در دسترس باشد، تصمیم گیری انجام می شود. ماژول تصمیم گیری ممکن است طبقه بندی مربوطه را اصلاح کند و حتی معین کند که نمونه رایحه جدید ناشناخته به هیچ کدام از رایحه های ازقبل ذخیره شده، دربانک اطلاعات دستگاه تعلق ندارد! بنابراین این سیستم، در بینی الکترونیکی بمانند مغز انسان عمل کرده، پاسخ های رسیده از سیستم بویایی انسان را ترجمه میکند.
3.4) نمونه اولیه از بینی الکترونیک
گروه تحقیقاتی بینی الکترونیکی، تعدادی از نمونه های اولیه این دستگاه را توسعه داده اند که برخی از آنها به ترتیب اسامی شان در شکل 4 ارائه شده است.
شکل 4
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-4.jpg
1. تکنولوژی Agilent - مدل 4440B
2. آلفا موس - Prometheus
3. بینی الکترونیکی - Cyrano Sciences 320
معمولا، هنگامی که بخار شیمیایی در سراسر آرایه گیرنده ها دمیده می شود، سیگنال های رسیده از گیرنده ها، دیجیتالی شده و به کامپیوتر داده می شود. سپس شبکه ANN که توسط نرم افزار درحال اجراست، مواد شیمیایی را شناسایی می کند. بدیهی است که این شناسایی، فقط تا زمانی که پاسخ از سنسورهای شیمیایی دریافت می شود دوام دارد و بصورت چند ثانیه متوالی می باشد.
4- تشخیص رایحه انسان
براستی حتی تصور اینکه بتوان اشخاص را با استفاده از رایحه بدنشان شناسایی کرد، غیرممکن می نماید. ولی محققان در تلاش هستند که این امر را به انجام برسانند. دانشمندی بنام لوئیس توماس برای اولین بار ارتباط بین رایحه بدن افراد و سطح ایمنی شان رامطرح کرد. به عبارت دیگر مجموعه ای از ژن های ایمنی در ایجاد رایحه ای منحصربفرد در یک شخص دخیل هستند. در مورد برخی از بینی های الکترونیکی که نسبت به الکل، نمونه عطر ها، کشف آلودگی ها و بیماری ها حساس هستند، مساله مهم، نیاز به زمان است تا این دستگاه ها بتوانند توسعه یافته، بطور کامل شناسایی انسان را از این طریق انجام دهند.
4.1- مشکلات
در حال حاضر ثابت شده است که رایحه های متفاوت بدن در افراد مختلف، ژن ایمنی خاص و متفاوت را تولید میکنند، اما دانشمندان هنوز نمی دانند چگونه این اتفاق می افتد. حتی اگر میدانستند چه اجزایی دخیل هستند، بینی های الکترونیکی هنوز به اندازه کافی برای اینکار پیشرفته نشده اند. دلیل آن است که سنسورهای امروزی، به اندازه کافی نسبت به طیف گسترده ترکیبات شیمیایی حساس نیستند. طبق گفته دانیل دی لی ، مهندسی زیست شناسی دانشگاه پنسیلوانیا: "ما دوربین هایی داریم که می تواند طیف هایی ماورا چشم انسان را مشاهده کند و میکروفن هایی که ارتعاشات را یک مایل آنطرف تر تشخیص دهد، اما از نظر تشخیص حسی مواد شیمیایی، دانش ما هنوز با آنچه که زیست شناسی می تواند انجام دهد ، بسیار فاصله دارد! " کامپیوترها به اندازه سگ یا انسان یا سایر مخلوقات زمینی هوشمند یا انعطاف پذیر نیستند! من بعنوان یک انسان، هنگامی که رایحه ای جدید را استشمام میکنم، می دانم که قادر خواهم بود دفعه بعد نیز آنرا تشخیص دهم. ماشین آلات هنوز در زمینه تشخیص رایحه های جدید به کفایت لازم نرسیده اند". بنابراین ، دانشمندان راهی طولانی در گسترش فعالیت های پژوهشی و فن آوری این مهم برعهده دارند.
4.2 - بینی الکترونیکی در مقایسه با بینی انسان:
ما به این دلیل رایحه مواد را احساس می کنیم که بصورت مواد شیمیایی فرار هستند، بینی ما حدود 10.000 عدد گیرنده بویایی را درخود جای داده است که به بخارهای شیمیایی پیچیده ای(که ممکن است مانند قهوه از 670 ماده شیمیایی تشکیل شده باشد) حساس هستند. این گیرنده ها مجموعه ای از سیگنال های الکتریکی مناسب را به مغز ارسال می دارند که خود دارای 10 میلیون عصب گیرنده است. این سیگنال های الکتریکی، تشکیل یک الگو را می دهند. مغز ما الگو را ثبت می کند و در صورتیکه نتواند با سوابق قبلی مغز تطبیق دهد، یک الگوی جدید به کتابخانه الگوهای قبلی اضافه خواهد کرد ، اختلاف بین این رایحه و الگوهای ذخیره شده قبلی، نشانگر تفاوت دراجزای تشکیل دهنده رایحه جدید است. دفعه بعد که ما با این رایحه برخورد می کنیم، مغز ما قادر به شناسایی آن خواهد بود. حس بویایی بشردر بسیاری از مشاغل کارایی دارد، بعنوان مثال در درجه بندی کیفیت دانه های قهوه، از کارشناسانی ماهر با درک بویایی قوی استفاده می شود. ولی باید دانست که گاهی عملکرد حس بویایی انسان تحت تاثیر تغییرات محیط زیست، رژیم غذایی و همچنین خستگی کاهش می یابد!
بینی الکترونیکی چگونه کار می کند؟
کارکرد بینی الکترونیکی بسیار ساده تر از نسخه بیولوژیکی آن است،. به این دلیل که از تعداد بسیار کمتری از گیرنده های تشخیص رایحه- معمولا بین 12 و 20 عدد – بهره می گیرد، لذا قادر به تشخیص فقط محدوده کوچکی از انواع رایحه هاست.
4.3- چه کسانی با بینی الکترونیکی کارمی کنند؟
متاسفانه ، اجازه استفاده از دستگاه بینی الکترونیکی برای تشخیص هویت انسان هنوز تایید نشده است. زیرا توسعه این دستگاه، کاری بسیار گران و پرهزینه می باشد، لذا هر آزمایشگاه تحقیقاتی نمی تواند از پس آن برآید. با این حال ، حداقل دو شرکت بر روی دستگاه های تشخیص هویت انسان، کار میکنند:
1- شرکت سیستم های الکترونیکی Mastiff / بولدوگ انگلستان:
گفته می شود که این شرکت، محصول دیجیتالی به نام Scentinel ، را ساخته است که با استشمام پشت دست یک کاربرکامپیوتر، می تواند هویت وی را شناسایی کند. با این حال، مهندس ارشد Stephen McMillan ، می گوید : محصول تا چند سال آینده آماده ورود به بازار تجاری نخواهد بود. با وجود گران بودن محصول (48،600 دلار)، ولی سفارت بریتانیا در بوینوس آیرس، گارد ملی عربستان سعودی و شرکت های خصوصی هندی و ژاپنی علاقمند به نصب و استفاده از آن بوده اند!
2- گروه دوم که خواستار جایگزینی بینی مصنوعی برای شناسایی افراد بجای بینی سگ هستند، آژانس طرح های پیشرفته پژوهشی دفاعی پنتاگون است. این آژانس حدود 2/3میلیون دلارهزینه برای ساخت این پروژه تصویب کرد. انتظار میرود که بینی الکترونیکی تشخیص افراد، بعنوان نقطه عطفی خاص، در 5-6 سال آینده مطرح شود. در شکل 5 نمونه اولیه این دستگاه بشکل بولدوگ را در یک لابراتوار در دانشگاه پنسیلوانیا مشاهده می کنید که در انتظار نصب و راه اندازی بخش بینی الکترونیکی خود میباشد.
شکل 5
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-5.jpg
5– کاربرد بینی الکترونیکی:
5.1: کاربردهای مربوط به آینده:
بجز سیستم تشخیص رایحه انسان، کاربردهای دیگری نیز برای بینی الکترونیکی وجود دارند. این قضیه برای مطالعات آینده نگرانه برای کاربردهای زیر اهمیت می یابد:
- اولین آ نها مبارزه با جرم و جنایت از طریق شناسایی تروریست هاست. بعنوان مثال رایحه های ازقبل ذخیره شده ای بر روی دستگاه های بیومتریک انسان در سفارت بریتانیا در بوینس آیرس، گارد ملی عربستان سعودی و شرکت های خصوصی هندی و ژاپنی وجود دارد برای کاربردهای آینده استفاده شود.
- کاربرد جدید می تواند واقعیت مجازی و محیط های مجازی باشد. ایده اصلی این برنامه امروزه تنها به صدا و تصویر سه بعدی محدود شده است. لذا، جذب شدن کاربران در محیط مجازی فقط به دوحس از حواس پنج گانه محدود است. اما انتظار می رود که واقعیت مجازی رایحه، وظایف مخاطره آمیزی را در آینده توسعه دهد. بسیاری از موقعیت های خطرناک در زندگی واقعی نیاز به حضور فیزیکی بیشتری دارند تا اینکه فقط به داده های تصویری و شنیداری تکیه کنند. از جمله کاربردهایی که بشدت وابسته به رایحه هستند، می توان به آموزش نیروهای اطفاء حریق و نشت گازهای خطرناک اشاره کرد.
- یکی دیگر از پروژه های مهم، شناسایی و نجات انسان های دفن شده در ویرانه ها است. برای مثال ، در زلزله یا معادن زغال سنگ که در این موارد عملکرد بینی الکترونیکی بسیار باارزش است و می تواند بعنوان جایگزینی برای سگ ها در نظر گرفته شود. متاسفانه ، مشام سگ حداکثر می تواند تا عمق 50 متر مفید باشد. نقطه ضعف دیگر سگ این است که هزینه همکاری درازمدت با تیم متصدیان سگ بسیار گران است. لذا جایگزین کردن بینی الکترونیکی برای تشخیص انسان مناسب ترخواهد بود. البته باید آگاه بود که حساسیت این دستگاه به اندازه بینی سگ، نیست! ولی برای موارد خاص فوق می توان بطورمفید از آن استفاده کرد.
- مهمترین برنامه آینده نگرانه برای بینی الکترونیکی در زمینه telesurgery (جراحی از راه دور ***) خواهد بود. انتظار می رود تمامی این کاربرد ها بتواند در طول 5-6 سال آینده به مرحله اجرا برسد.
5.2 کاربردهای رایج:
در طول دهه گذشته، شرکت های بسیاری نمونه های بینی الکترونیکی را تولید کرده اند که تا 5 الی 10 سال آینده کاربرد خواهند یافت. هزینه بینی الکترونیکی هوشمند، در حدود 40000 تا 50000 دلار به ازای هر دستگاه است، درحالیکه دستگاه های دستی از همین نوع، 5000 دلار هزینه در بر دارد. از طرفی هزینه یک سنسور مخصوص رایحه فقط در حدود 5-10 دلار است و بقیه این هزینه بالا، مربوط به خود سیستم بینی الکترونیکی است! که انتظارمی رود آن نیز با ارتقاء نرم افزار تشخیص الگو، و پیشرفت تکنولوژی ANN کاهش یابد.
- مهمترین کاربرد بینی الکترونیکی در تشخیص های پزشکی است. تشخیص رایحه درهوای تنفس که مشکلات معده و روده را نشان می دهد، مشکلات سینوسی ، عفونت ، دیابت ، مشکلات کبد ، زخم های آلوده، تشخیص سل می تواند توسط بینی الکترونیکی تشخیص داده شود. همچنین تعیین سطح یون در مایعات بدن و حتی ردیابی سطح گلوکز در بیماران دیابتی.
- کاربردهای زیست محیطی: شناسایی زباله های سمی و خطرناک، آنالیز ترکیبات سوختی ، تشخیص نشت نفت ، نشت مایعات از کارخانجات و آزمایش آب های سطحی
- داروسازی : جهت تعیین تاریخ انقضای داروهایی که بمدت طولانی نگهداری شده است.
- بزرگترین بازار تجاری برای بینی الکترونیکی، در زمینه صنایع غذایی است که شامل ارزیابی کیفیت مواد غذایی تولیدی ، کنترل مواد غذایی پخته شده و آش امیدنی هاست.
-درصنعت عطر: شناسایی محصولات تقلبی
انواع گیرنده های بکار رفته در بینی الکترونیکی:
درحال حاضر پنج طبقه بندی برای گیرنده های مصنوعی رایحه وجود دارد که توضیح مختصری در مورد هریک، در سطور بعدی آورده شده است:
1- گیرنده هدایتی
دو نوع گیرنده هدایتی وجود دارد : اکسید فلز و پلیمر. این گیرنده ها به تغییرات رطوبت و بخار آب حساس بوده، زمانی که در معرض ترکیبات آلی فرار قرار می گیرند، مقاومت شان تغییر میکند. این دونوع، به دلیل هزینه پایین، به طور گسترده در بازار قابل دسترس هستند. در عین حال ، گروه های تحقیقاتی برای بهبود کار این نوع سنسورها تلاش میکنند. گیرنده های پلیمری بدلیل کاربرد آسانتر، بیشترین آمار کاربرد را در بینی الکترونیکی دارا می باشند. علت آن است که سنسورهای پلیمری در دمای محیط عمل می کنند، نیاز به گرم کردن ندارند، رابط الکترونیکی ساده دارند و برای اشیاء قابل حمل، مناسب هستند. 2- سنسور پزوالکتریک(Peizoelectric)
خانواده گیرنده های پزوالکتریک (با کاربرد میکروبالانس کریستال کوارتز)، می توانند درجه حرارت ، تغییرات جرم ، فشار ، نیرو و شتاب را اندازه گیری کنند. درحین عملکرد سنسور، نمونه ای از گاز، جذب سطح پلیمر می گردد و باعث افزایش جرم دیسک – پلیمر شده که در نتیجه، کاهش فرکانس نوسان را به همراه خواهد داشت. کاهش فرکانس، رابطه معکوس با جرم گاز(یا ماده شیمیایی) جذب شده توسط پلیمر دارد. در بینی های الکترونیکی ، این گیرنده ها به عنوان سنسورهای حساس به تغییرجرم شناخته می شوند.
3-ترانزیستور اثرمیدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز یا ماسفت( MOSFET):
این دستگاه ها در اصل براین اساس که عطر و بوی فراراشیا در تماس با فلز می تواند یک واکنش کاتالیزوری ایجاد کند، عمل میکنند. محصولات واکنشی می توانند ازپایه ورودی MOSFET جذب شده و خصوصیات الکتریکی دستگاه را تغییر دهند. درضمن، حساسیت و قابلیت انتخاب دستگاه را می توان با بکارگیری آن در دماهای متفاوت و تغییر ضخامت اکسید فلز مورد استفاده، بهینه کرد.
4- گیرنده های فیبر نوری:
گیرنده های فیبر نوری، با استفاده از فیبرهای شیشه ای عمل میکنند. این فیبرها دارای یک پوشش نازک فعال از لحاظ شیمیایی، برروی سطح یا انتهای خود هستند. یک منبع نور، با تک فرکانس و یا باند باریکی از فرکانس ها برای ارزیابی ماده شیمیایی جذب شده استفاده می شود که پاسخ آن بصورت تغییر رنگ نسبت به وجود رایحه ای خاص خواهد بود.
5- گیرنده های مبتنی بر اسپکترومتر: عملکرد این دستگاه ها بر این اصل که هر مولکول دارای یک طیف مادون قرمز است استوار می باشد و معمولا بسیار بزرگ و گران هستند.
توضیح مترجم:
* موکوس(mucus) یک ترشح لغزنده مخاطی است که توسط سلول های اپیتلیوم بویایی تولید میشود (شکل 6 ) یک لایه کلوئیدی چسبناک و غلیظ سفید و یا بی رنگ به نام موکوس است که حاوی آنتی بادی و مواد ارگانیک است. وظایف موکوس در سیستم تنفسی عبارت است از: مقابله با عوامل میکروبی و محافظت از ششها با به دام انداختن ذرات خارجی که همراه با هوای تنفسی وارد بینی میگردند.
** ANN /Artificial Neural Network : شبکه‌های عصبی مصنوعی
***جراحی از راه دور یا جراحی روبوتیک یک پزشک را برای انجام یک عمل جراحی برروی یک بیمار قادر می سازد حتی اگر هر دو نفر از لحاظ فیزیکی در یک مکان نباشند! در این شیوه جراحی، وجود فاصله بین جراح و بیمار اهمیت ندارد و این امکان را برای بیماران فراهم می سازد که بدون نیاز به جابجا شدن از بیمارستان خود، بتوانند به جراحان ماهر در سراسر دنیا دسترسی داشته باشند.
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-6.jpg
در این مقاله ، موضوع تشخیص انسان از طریق رایحه بدن؛ مورد بررسی قرار گرفته است. با یادآوری این نکته که روش مذکور هنوزدر مرحله تحقیق و ساخت بوده ، هیچ گونه کاربرد تجاری قابل دسترس در بازار ندارد. با اینحال، امروزه ازسیستم های دیگر تشخیص رایحه بطور گسترده در سایر امور روزمره استفاده می شود. در این مقاله اجزای اصلی ) ENoseبینی الکترونیکی ) مورد بررسی قرار گرفته است.
1 - مقدمه:
تعریف بیومتریک از دیدگاه فنی معادل تکنیک خودکار ارزیابی خصوصیات فیزیکی یک شخص و مقایسه آنها با اطلاعاتی جامع است که در نهایت دستیابی به هویت شخص را ممکن می سازد. لذا واژه بیومتریک به دنبال پاسخ این سوال است که " آیا من تو را می شناسم؟"
1.1- اهمیت حس بویایی :
حس بویایی یکی از پنج حواس اصلی (بینایی ، بویایی ، چشایی ، شنوایی و لمسی) بوده و دارای اهمیت فوق العاده بالایی در انسان می باشد. دانشمندان زیادی، بمدت چندین دهه، برای درک فرایند بویایی تلاش کرده اند. درک این فرایند کار سختی است ، چرا که مردم اغلب حتی برای پیدا کردن کلمات جهت توصیف رایحه استشمام شده، با مشکل مواجه می شوند. با این حال ، رایحه ها بطورعمیقی در زندگی و خلق و خوی ما تاثیر دارند. نادیده گرفتن ناراحتی(رایحه بدبو) ، کشش و جاذبه (رایحه خوش بو) و سایر واکنش های ناشی از رایحه های مختلف کاری دشواراست، زیرا سلول های عصبی بینی مستقیما به بخش بسیار حساسی از مغز متصل هستند که دراصطلاح غده بویایی نامیده می شود. اما همچنان فرایند استشمام ناشناخته است. مشکل اصلی، در ادراک رایحه این است که استمرارفیزیکی که درمورد دو حس بینایی و شنوایی موجود است (یعنی پیوستگی فرکانس صدا در شنوایی یا قانون چرخه نیوتن برای مشاهده رنگ ها دربینایی) درحس بویایی وجود ندارد. می توان پا فراتر گذاشت و گفت که حتی هیچ تستی برای ارزیابی کیفیت رایحه استشمامی در طول آزمایشات وجود ندارد. هدف اصلی در تشخیص رایحه انسان، ساخت یک سیستم الکترونیکی براساس مدل بویایی انسان و به همان اندازه حساس می باشد. لذا قبل از ساخت این دستگاه، بایستی ساختار اصلی بویایی در انسان، مطالعه شود.
2-مدل بویایی انسان: حس بویایی نقش مهمی در زندگی انسان برعهده دارد.
هر ماده ای که دارای رایحه است، دائما مقدار بسیار کمی از مولکول هایش تبخیر می شود که بوی خاصی را تولید میکنند که به اصطلاح مواد رایحه دار - odorants نامیده می شوند. هرنوع گیرنده حسی که قادر به شناسایی این مولکول هاست، یک گیرنده شیمیایی نامیده می شود. در اینصورت، بینی انسان یک گیرنده بزرگ شیمیایی بحساب می آید. توانایی استشمام انسان درمقایسه با حیوانات چندان کامل نیست. مغز بشرفقط 4،8 سانتیمتر مربع را به کل دستگاه بویایی اختصاص داده است. درحالیکه سگ 65 سانتیمتر مربع و کوسه 3/2 مترمربع از مغز را بکار می برد! ولی با وجود کوچک بودن سطح بویایی در انسان، تعداد 40 میلیون گیرنده بویایی دردستگاه بویایی وجود دارند که تشخیص حتی مقادیر بسیار جزئی از مواد شیمیایی را امکان پذیر می سازند. چنانکه برخی از رایحه ها می توانند به نسبت یک در تریلیون غلظت هوا، تشخیص داده شوند! با اینکه پردازش اطلاعات بویایی در انسان فوق العاده پیچیده است ولی بشر توانسته است برخی از مکانیسم های پردازش اطلاعات توسط مغز را درک کند. با این حال ، خواص دینامیکی مغز هنوز بطور کامل شناخته نشده است. بیشترین تحقیقات مهیج برای درک فرایند استشمام، توسط فریمن(Freeman ) ارائه شده است .او نشان داد درغده بویایی (که وظیفه اصلی درک رایحه را برعهده دارد)، تک تک سلول ها درادراک بویایی شرکت میکنند و یک گیرنده بویایی به تنهایی قادر به شناسایی یک نوع بوی خاص نمیباشد!
کارکرد اصلی سیستم بویایی اجمالا شامل 5 بخش می باشد: استشمام، دریافت رایحه، ارزیابی، تشخیص و پاک کردن اثر رایحه. پدیده بویایی با استشمام آغاز می شود که رایحه های دریافتی را بصورت مخلوطی با غلظت یکنواخت در می آورد تا جذب لایه موکوسی* واقع در قسمت بالای حفره بینی شوند. سپس این مولکول ها در این لایه حل شده و به مژک های موجود درگیرنده های بویایی منتقل میشوند. پدیده دریافت رایحه، شامل اتصال مولکولهای رایحه به گیرنده های بویایی است. مولکول های رایحه، بطور موقت به پروتئین ها یی(در گیرنده) متصل می شوند که نتیجه آن ایجاد تحریکات خودکار در گیرنده می باشد. این تحریکات به نوبه خود، باعث ایجاد واکنش های شیمیایی می شود و تولید سیگنال های الکتریکی نتیجه آن خواهد بود. این سیگنال ها نیز به نوبه خود، از سلول های گیرنده رایحه به غده بویایی، منتقل می شوند و از آنجا اطلاعات به قشر بویایی(که بخش تشخیص رایحه است) انتقال یافته، سپس به مغز فرستاده می شود. باید یادآور شد که هیچ گونه گیرنده ویژه بویایی در مغز وجود ندارد که قادر به تشخیص رایحه ای خاص باشد. بلکه مغز یک ارگان کلیدی است که سیگنال های دریافتی بویایی را به رایحه ای خاص نسبت می دهد که معادل شناسایی رایحه است. مرحله نهایی درفرایند بویایی، پاک سازی آثار رایحه از گیرنده های بویایی است. این امر مستلزم تنفس هوای تازه برای زدودن مولکول های رایحه قبلی، از روی گیرنده های بویایی است.
برای درک مکانیسم فرایند بویایی، مدل بویایی انسان در شکل 1 نمایش داده شده است:
شکل 1
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-1.jpg
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود، هوایی که محتوی مولکول های رایحه است از طریق سوراخ های دو طرف بینی تنفس شده و بسمت پایین(شش ها) جریان میابد. در طی استشمام، هوا درقسمت بالای حفره بینی می پیچد که اپیتلیوم بویایی موکوسی (شکل6) در آن قرار دارد. در این قسمت، مجموعه کوچکی از 10میلیون سلول بویایی تخصص یافته وجود دارند که دارای ریزمژک هایی بر روی سطح خود میباشند. ذرات رایحه موجود در هوا به مژک ها می چسبد و باعث ایجاد سیگنال های عصبی در سلولهای بویایی می شوند که به غده بویایی فرستاده می شوند. سپس، سیگنال ها قبل از اینکه از قشر بویایی به مغز بروند توسط مرکز پیش پردازش مرتب می شوند تا درنهایت بعنوان رایحه های مختلف ازهم تفکیک داده شوند.
3- مدل بینی الکترونیک
برای ساختن یک بینی الکترونیکی بایستی تا جایی که ممکن است از تمام جزییات و کارکرد دقیق دستگاه بویایی انسان استفاده شود، بطوریکه بتواند مانند بینی انسان ارزیابی اتوماتیک و طبقه بندی انواع رایحه ها، بخارات و گازها را انجام دهد.
بینی الکترونیکی بعنوان تلفیقی ازدو بخش: (1)سیستم گیرنده رایحه (2) بخش تشخیص الگو تعریف می شود. نمایش الگوی بینی الکترونیکی را می توان در شکل 2 یافت:
شکل 2
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-2.jpg
3.1) سیستم گیرنده:
سیستم گیرنده : وظیفه اصلی این بخش دریافت رایحه هاست بعبارت دیگر، آرایه ای ازگیرنده های شیمیایی است که در آن هر یک گیرنده، مولکول خاصی از مولکول های موجود در رایحه را شناسایی می کند. هر آرایه می تواند بصورت یک گیرنده برای یک نوع رایحه خاص (یا) یک گیرنده برای ترکیب دو رایحه باشد. سپس برای هر رایحه ، یک الگوی ویژه در این بخش، ایجاد می شود، به معنای دیگر اطلاعات اولیه مربوط به سیگنال های دریافتی از انواع رایحه ها در این سیستم ایجاد و ذخیره می شود که بعدا در بخش تشخیص الگو، مورد استفاده خواهد بود. سیستم گیرنده در اصل، امکان ردیابی و دریافت رایحه از محیط را فراهم می سازد و ممکن است بصورت یک دستگاه سنجش رایحه یا گاز، کروماتوگراف و یا طیف سنج باشد. این دستگاه ها، مجموعه ای از مقیاس های سنجش را برای ارزیابی اجزای رایحه جدید فراهم می کند و از این رو برای تشخیص های پیچیده مانند ترکیبی از رایحه های مختلف، مناسبتر است.
برای درک بهتر ساختار گیرنده های بینی الکترونیکی و کارکرد آن ها، توضیحات مربوطه در انتهای مقاله در قسمت (انواع سنسورهای الکترونیکی بینی)آورده شده است.
3.2) بخش تشخیص الگو:
هدف این بخش، ایجاد یک سیستم ارزیابی و طبقه بندی رایحه هاست که درنهایت بتواند تشخیص خودکار آنها را انجام دهد. این فرایند شامل چند روش :
1- آماری
2-استفاده از شبکه عصبی مصنوعی / ANN**
3- استفاده از مشخصات و شکل اعصاب انسان در ساخت سنسورها می باشد.
بدیهی است که ایجاد یک مدل ریاضی ازغده بویایی واقعا دشوار است. مدلی که براساس بینی انسان ساخته شده است، در واقع متکی بر فعل وانفعالات متقابل رایحه های استشمام شده با مجموعه گیرنده هاست که یک الگوی قابل تشخیص را ایجاد میکنند.
3.3) پردازش سیگنال های بویایی و سیستم تشخیص الگو: یعنی شناسایی یک رایحه و برآورد غلظت آن .
این مرحله خود به چهار جز تقسیم می شود: 1)پیش پردازش 2) استخراج اطلاعات و ویژگی های رایحه، 3) طبقه بندی و 4) تصمیم گیری. این مراحل در شکل 3 قابل مشاهده است. اما، بایستی قبلا اطلاعات اولیه مربوط به رایحه، به دستگاه داده شود و نمونه آن در معرض آرایه سنسورهای بویایی قرار گیرد.
شکل 3
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-3.jpg
اکنون به مراحل پردازش سیگنال و تشخیص الگو در شکل 3 همزمان با توضیحات زیرتوجه کنید:
1- پیش پردازش:
این قسمت خطاهای سنسور را اصلاح کرده، سیگنال های دریافتی از آرایه سنسورها را منسجم ساخته، نوسانات مربوطه را کاهش می دهد. این تکنیک تحت عنوان مرتب سازی و بحالت طبیعی درآوردن پاسخ سنسورها شناخته می شود.
2- استخراج ویژگی های رایحه :
استخراج ویژگی ها دو هدف دارد: کاهش کادربندی فضای اندازه گیری شده و استخراج اطلاعات مربوطه برای تشخیص الگو. استخراج ویژگی ها معمولا با تغییرات خطی مانند PCA-Classical انجام می شود.
3- طبقه بندی:
رایج ترین روش برای انجام طبقه بندی، استفاده ازشبکه های عصبی مصنوعی (ANNs) است. شبکه عصبی مصنوعی، یک سیستم پردازش اطلاعات است که ویژگی های اجرایی آن، مشابه و مشترک با عملکرد شبکه های عصبی زنده در انسان می باشد. مرحله طبقه بندی، یک گروه فرضی از ویژگی ها را برای یک نمونه رایحه ناشناخته ایجاد کرده و در رده های مشخصی قرار میدهد.
4- مرحله تصمیم گیری :
پس از مرتب سازی اطلاعات در مرحله طبقه بندی، این اطلاعات برای تصمیم گیری نهایی آماده می شوند. هرگاه اطلاعات کاربردی خاصی در دسترس باشد، تصمیم گیری انجام می شود. ماژول تصمیم گیری ممکن است طبقه بندی مربوطه را اصلاح کند و حتی معین کند که نمونه رایحه جدید ناشناخته به هیچ کدام از رایحه های ازقبل ذخیره شده، دربانک اطلاعات دستگاه تعلق ندارد! بنابراین این سیستم، در بینی الکترونیکی بمانند مغز انسان عمل کرده، پاسخ های رسیده از سیستم بویایی انسان را ترجمه میکند.
3.4) نمونه اولیه از بینی الکترونیک
گروه تحقیقاتی بینی الکترونیکی، تعدادی از نمونه های اولیه این دستگاه را توسعه داده اند که برخی از آنها به ترتیب اسامی شان در شکل 4 ارائه شده است.
شکل 4
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-4.jpg
1. تکنولوژی Agilent - مدل 4440B
2. آلفا موس - Prometheus
3. بینی الکترونیکی - Cyrano Sciences 320
معمولا، هنگامی که بخار شیمیایی در سراسر آرایه گیرنده ها دمیده می شود، سیگنال های رسیده از گیرنده ها، دیجیتالی شده و به کامپیوتر داده می شود. سپس شبکه ANN که توسط نرم افزار درحال اجراست، مواد شیمیایی را شناسایی می کند. بدیهی است که این شناسایی، فقط تا زمانی که پاسخ از سنسورهای شیمیایی دریافت می شود دوام دارد و بصورت چند ثانیه متوالی می باشد.
4- تشخیص رایحه انسان
براستی حتی تصور اینکه بتوان اشخاص را با استفاده از رایحه بدنشان شناسایی کرد، غیرممکن می نماید. ولی محققان در تلاش هستند که این امر را به انجام برسانند. دانشمندی بنام لوئیس توماس برای اولین بار ارتباط بین رایحه بدن افراد و سطح ایمنی شان رامطرح کرد. به عبارت دیگر مجموعه ای از ژن های ایمنی در ایجاد رایحه ای منحصربفرد در یک شخص دخیل هستند. در مورد برخی از بینی های الکترونیکی که نسبت به الکل، نمونه عطر ها، کشف آلودگی ها و بیماری ها حساس هستند، مساله مهم، نیاز به زمان است تا این دستگاه ها بتوانند توسعه یافته، بطور کامل شناسایی انسان را از این طریق انجام دهند.
4.1- مشکلات
در حال حاضر ثابت شده است که رایحه های متفاوت بدن در افراد مختلف، ژن ایمنی خاص و متفاوت را تولید میکنند، اما دانشمندان هنوز نمی دانند چگونه این اتفاق می افتد. حتی اگر میدانستند چه اجزایی دخیل هستند، بینی های الکترونیکی هنوز به اندازه کافی برای اینکار پیشرفته نشده اند. دلیل آن است که سنسورهای امروزی، به اندازه کافی نسبت به طیف گسترده ترکیبات شیمیایی حساس نیستند. طبق گفته دانیل دی لی ، مهندسی زیست شناسی دانشگاه پنسیلوانیا: "ما دوربین هایی داریم که می تواند طیف هایی ماورا چشم انسان را مشاهده کند و میکروفن هایی که ارتعاشات را یک مایل آنطرف تر تشخیص دهد، اما از نظر تشخیص حسی مواد شیمیایی، دانش ما هنوز با آنچه که زیست شناسی می تواند انجام دهد ، بسیار فاصله دارد! " کامپیوترها به اندازه سگ یا انسان یا سایر مخلوقات زمینی هوشمند یا انعطاف پذیر نیستند! من بعنوان یک انسان، هنگامی که رایحه ای جدید را استشمام میکنم، می دانم که قادر خواهم بود دفعه بعد نیز آنرا تشخیص دهم. ماشین آلات هنوز در زمینه تشخیص رایحه های جدید به کفایت لازم نرسیده اند". بنابراین ، دانشمندان راهی طولانی در گسترش فعالیت های پژوهشی و فن آوری این مهم برعهده دارند.
4.2 - بینی الکترونیکی در مقایسه با بینی انسان:
ما به این دلیل رایحه مواد را احساس می کنیم که بصورت مواد شیمیایی فرار هستند، بینی ما حدود 10.000 عدد گیرنده بویایی را درخود جای داده است که به بخارهای شیمیایی پیچیده ای(که ممکن است مانند قهوه از 670 ماده شیمیایی تشکیل شده باشد) حساس هستند. این گیرنده ها مجموعه ای از سیگنال های الکتریکی مناسب را به مغز ارسال می دارند که خود دارای 10 میلیون عصب گیرنده است. این سیگنال های الکتریکی، تشکیل یک الگو را می دهند. مغز ما الگو را ثبت می کند و در صورتیکه نتواند با سوابق قبلی مغز تطبیق دهد، یک الگوی جدید به کتابخانه الگوهای قبلی اضافه خواهد کرد ، اختلاف بین این رایحه و الگوهای ذخیره شده قبلی، نشانگر تفاوت دراجزای تشکیل دهنده رایحه جدید است. دفعه بعد که ما با این رایحه برخورد می کنیم، مغز ما قادر به شناسایی آن خواهد بود. حس بویایی بشردر بسیاری از مشاغل کارایی دارد، بعنوان مثال در درجه بندی کیفیت دانه های قهوه، از کارشناسانی ماهر با درک بویایی قوی استفاده می شود. ولی باید دانست که گاهی عملکرد حس بویایی انسان تحت تاثیر تغییرات محیط زیست، رژیم غذایی و همچنین خستگی کاهش می یابد!
بینی الکترونیکی چگونه کار می کند؟
کارکرد بینی الکترونیکی بسیار ساده تر از نسخه بیولوژیکی آن است،. به این دلیل که از تعداد بسیار کمتری از گیرنده های تشخیص رایحه- معمولا بین 12 و 20 عدد – بهره می گیرد، لذا قادر به تشخیص فقط محدوده کوچکی از انواع رایحه هاست.
4.3- چه کسانی با بینی الکترونیکی کارمی کنند؟
متاسفانه ، اجازه استفاده از دستگاه بینی الکترونیکی برای تشخیص هویت انسان هنوز تایید نشده است. زیرا توسعه این دستگاه، کاری بسیار گران و پرهزینه می باشد، لذا هر آزمایشگاه تحقیقاتی نمی تواند از پس آن برآید. با این حال ، حداقل دو شرکت بر روی دستگاه های تشخیص هویت انسان، کار میکنند:
1- شرکت سیستم های الکترونیکی Mastiff / بولدوگ انگلستان:
گفته می شود که این شرکت، محصول دیجیتالی به نام Scentinel ، را ساخته است که با استشمام پشت دست یک کاربرکامپیوتر، می تواند هویت وی را شناسایی کند. با این حال، مهندس ارشد Stephen McMillan ، می گوید : محصول تا چند سال آینده آماده ورود به بازار تجاری نخواهد بود. با وجود گران بودن محصول (48،600 دلار)، ولی سفارت بریتانیا در بوینوس آیرس، گارد ملی عربستان سعودی و شرکت های خصوصی هندی و ژاپنی علاقمند به نصب و استفاده از آن بوده اند!
2- گروه دوم که خواستار جایگزینی بینی مصنوعی برای شناسایی افراد بجای بینی سگ هستند، آژانس طرح های پیشرفته پژوهشی دفاعی پنتاگون است. این آژانس حدود 2/3میلیون دلارهزینه برای ساخت این پروژه تصویب کرد. انتظار میرود که بینی الکترونیکی تشخیص افراد، بعنوان نقطه عطفی خاص، در 5-6 سال آینده مطرح شود. در شکل 5 نمونه اولیه این دستگاه بشکل بولدوگ را در یک لابراتوار در دانشگاه پنسیلوانیا مشاهده می کنید که در انتظار نصب و راه اندازی بخش بینی الکترونیکی خود میباشد.
شکل 5
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-5.jpg
5– کاربرد بینی الکترونیکی:
5.1: کاربردهای مربوط به آینده:
بجز سیستم تشخیص رایحه انسان، کاربردهای دیگری نیز برای بینی الکترونیکی وجود دارند. این قضیه برای مطالعات آینده نگرانه برای کاربردهای زیر اهمیت می یابد:
- اولین آ نها مبارزه با جرم و جنایت از طریق شناسایی تروریست هاست. بعنوان مثال رایحه های ازقبل ذخیره شده ای بر روی دستگاه های بیومتریک انسان در سفارت بریتانیا در بوینس آیرس، گارد ملی عربستان سعودی و شرکت های خصوصی هندی و ژاپنی وجود دارد برای کاربردهای آینده استفاده شود.
- کاربرد جدید می تواند واقعیت مجازی و محیط های مجازی باشد. ایده اصلی این برنامه امروزه تنها به صدا و تصویر سه بعدی محدود شده است. لذا، جذب شدن کاربران در محیط مجازی فقط به دوحس از حواس پنج گانه محدود است. اما انتظار می رود که واقعیت مجازی رایحه، وظایف مخاطره آمیزی را در آینده توسعه دهد. بسیاری از موقعیت های خطرناک در زندگی واقعی نیاز به حضور فیزیکی بیشتری دارند تا اینکه فقط به داده های تصویری و شنیداری تکیه کنند. از جمله کاربردهایی که بشدت وابسته به رایحه هستند، می توان به آموزش نیروهای اطفاء حریق و نشت گازهای خطرناک اشاره کرد.
- یکی دیگر از پروژه های مهم، شناسایی و نجات انسان های دفن شده در ویرانه ها است. برای مثال ، در زلزله یا معادن زغال سنگ که در این موارد عملکرد بینی الکترونیکی بسیار باارزش است و می تواند بعنوان جایگزینی برای سگ ها در نظر گرفته شود. متاسفانه ، مشام سگ حداکثر می تواند تا عمق 50 متر مفید باشد. نقطه ضعف دیگر سگ این است که هزینه همکاری درازمدت با تیم متصدیان سگ بسیار گران است. لذا جایگزین کردن بینی الکترونیکی برای تشخیص انسان مناسب ترخواهد بود. البته باید آگاه بود که حساسیت این دستگاه به اندازه بینی سگ، نیست! ولی برای موارد خاص فوق می توان بطورمفید از آن استفاده کرد.
- مهمترین برنامه آینده نگرانه برای بینی الکترونیکی در زمینه telesurgery (جراحی از راه دور ***) خواهد بود. انتظار می رود تمامی این کاربرد ها بتواند در طول 5-6 سال آینده به مرحله اجرا برسد.
5.2 کاربردهای رایج:
در طول دهه گذشته، شرکت های بسیاری نمونه های بینی الکترونیکی را تولید کرده اند که تا 5 الی 10 سال آینده کاربرد خواهند یافت. هزینه بینی الکترونیکی هوشمند، در حدود 40000 تا 50000 دلار به ازای هر دستگاه است، درحالیکه دستگاه های دستی از همین نوع، 5000 دلار هزینه در بر دارد. از طرفی هزینه یک سنسور مخصوص رایحه فقط در حدود 5-10 دلار است و بقیه این هزینه بالا، مربوط به خود سیستم بینی الکترونیکی است! که انتظارمی رود آن نیز با ارتقاء نرم افزار تشخیص الگو، و پیشرفت تکنولوژی ANN کاهش یابد.
- مهمترین کاربرد بینی الکترونیکی در تشخیص های پزشکی است. تشخیص رایحه درهوای تنفس که مشکلات معده و روده را نشان می دهد، مشکلات سینوسی ، عفونت ، دیابت ، مشکلات کبد ، زخم های آلوده، تشخیص سل می تواند توسط بینی الکترونیکی تشخیص داده شود. همچنین تعیین سطح یون در مایعات بدن و حتی ردیابی سطح گلوکز در بیماران دیابتی.
- کاربردهای زیست محیطی: شناسایی زباله های سمی و خطرناک، آنالیز ترکیبات سوختی ، تشخیص نشت نفت ، نشت مایعات از کارخانجات و آزمایش آب های سطحی
- داروسازی : جهت تعیین تاریخ انقضای داروهایی که بمدت طولانی نگهداری شده است.
- بزرگترین بازار تجاری برای بینی الکترونیکی، در زمینه صنایع غذایی است که شامل ارزیابی کیفیت مواد غذایی تولیدی ، کنترل مواد غذایی پخته شده و آش امیدنی هاست.
-درصنعت عطر: شناسایی محصولات تقلبی
انواع گیرنده های بکار رفته در بینی الکترونیکی:
درحال حاضر پنج طبقه بندی برای گیرنده های مصنوعی رایحه وجود دارد که توضیح مختصری در مورد هریک، در سطور بعدی آورده شده است:
1- گیرنده هدایتی
دو نوع گیرنده هدایتی وجود دارد : اکسید فلز و پلیمر. این گیرنده ها به تغییرات رطوبت و بخار آب حساس بوده، زمانی که در معرض ترکیبات آلی فرار قرار می گیرند، مقاومت شان تغییر میکند. این دونوع، به دلیل هزینه پایین، به طور گسترده در بازار قابل دسترس هستند. در عین حال ، گروه های تحقیقاتی برای بهبود کار این نوع سنسورها تلاش میکنند. گیرنده های پلیمری بدلیل کاربرد آسانتر، بیشترین آمار کاربرد را در بینی الکترونیکی دارا می باشند. علت آن است که سنسورهای پلیمری در دمای محیط عمل می کنند، نیاز به گرم کردن ندارند، رابط الکترونیکی ساده دارند و برای اشیاء قابل حمل، مناسب هستند. 2- سنسور پزوالکتریک(Peizoelectric)
خانواده گیرنده های پزوالکتریک (با کاربرد میکروبالانس کریستال کوارتز)، می توانند درجه حرارت ، تغییرات جرم ، فشار ، نیرو و شتاب را اندازه گیری کنند. درحین عملکرد سنسور، نمونه ای از گاز، جذب سطح پلیمر می گردد و باعث افزایش جرم دیسک – پلیمر شده که در نتیجه، کاهش فرکانس نوسان را به همراه خواهد داشت. کاهش فرکانس، رابطه معکوس با جرم گاز(یا ماده شیمیایی) جذب شده توسط پلیمر دارد. در بینی های الکترونیکی ، این گیرنده ها به عنوان سنسورهای حساس به تغییرجرم شناخته می شوند.
3-ترانزیستور اثرمیدانی نیمه‌رسانای اکسید فلز یا ماسفت( MOSFET):
این دستگاه ها در اصل براین اساس که عطر و بوی فراراشیا در تماس با فلز می تواند یک واکنش کاتالیزوری ایجاد کند، عمل میکنند. محصولات واکنشی می توانند ازپایه ورودی MOSFET جذب شده و خصوصیات الکتریکی دستگاه را تغییر دهند. درضمن، حساسیت و قابلیت انتخاب دستگاه را می توان با بکارگیری آن در دماهای متفاوت و تغییر ضخامت اکسید فلز مورد استفاده، بهینه کرد.
4- گیرنده های فیبر نوری:
گیرنده های فیبر نوری، با استفاده از فیبرهای شیشه ای عمل میکنند. این فیبرها دارای یک پوشش نازک فعال از لحاظ شیمیایی، برروی سطح یا انتهای خود هستند. یک منبع نور، با تک فرکانس و یا باند باریکی از فرکانس ها برای ارزیابی ماده شیمیایی جذب شده استفاده می شود که پاسخ آن بصورت تغییر رنگ نسبت به وجود رایحه ای خاص خواهد بود.
5- گیرنده های مبتنی بر اسپکترومتر: عملکرد این دستگاه ها بر این اصل که هر مولکول دارای یک طیف مادون قرمز است استوار می باشد و معمولا بسیار بزرگ و گران هستند.
توضیح مترجم:
* موکوس(mucus) یک ترشح لغزنده مخاطی است که توسط سلول های اپیتلیوم بویایی تولید میشود (شکل 6 ) یک لایه کلوئیدی چسبناک و غلیظ سفید و یا بی رنگ به نام موکوس است که حاوی آنتی بادی و مواد ارگانیک است. وظایف موکوس در سیستم تنفسی عبارت است از: مقابله با عوامل میکروبی و محافظت از ششها با به دام انداختن ذرات خارجی که همراه با هوای تنفسی وارد بینی میگردند.
** ANN /Artificial Neural Network : شبکه‌های عصبی مصنوعی
***جراحی از راه دور یا جراحی روبوتیک یک پزشک را برای انجام یک عمل جراحی برروی یک بیمار قادر می سازد حتی اگر هر دو نفر از لحاظ فیزیکی در یک مکان نباشند! در این شیوه جراحی، وجود فاصله بین جراح و بیمار اهمیت ندارد و این امکان را برای بیماران فراهم می سازد که بدون نیاز به جابجا شدن از بیمارستان خود، بتوانند به جراحان ماهر در سراسر دنیا دسترسی داشته باشند.
http://www.elmosanat.com/eosFile/article/elmosanat-nose-6.jpg