29. März 2024 (Nanowerk-Neuigkeiten) Ein Forschungsteam unter der Leitung der School of Engineering der Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) hat sich der seit langem bestehenden Herausforderung der Entwicklung künstlicher Geruchssensoren mit Arrays verschiedener Hochleistungsgassensoren gestellt. Ihre neu entwickelten biomimetischen Geruchschips (BOC) sind in der Lage, Nanoröhren-Sensorarrays auf nanoporösen Substraten mit bis zu 10,000 individuell adressierbaren Gassensoren pro Chip zu integrieren, eine Konfiguration, die der Funktionsweise der Geruchserkennung bei Menschen und anderen Tieren ähnelt. Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturelektronik („Biomimetische Riechchips basierend auf großflächigen monolithisch integrierten Nanoröhren-Sensorarrays“).
(a) Konfiguration von Prof. Das biomimetische Geruchschip-System (BOC) von Fan wurde auf einem Roboterhund zur Blindbox-Differenzierung installiert. (b) Erkennung von Kästchen durch Computer Vision, also die Kamera. (c) Anerkennungsergebnis des BOC-Systems. (d) In Echtzeit aufgezeichnetes Widerstandssignal eines Sensors. (Bild: HKUST) Forscher auf der ganzen Welt haben künstliche Geruchs- und elektronische Nasen (E-Nasen) entwickelt, mit dem Ziel, den komplizierten Mechanismus des biologischen Geruchssystems nachzuahmen, um komplexe Geruchsstoffmischungen effektiv zu erkennen. Die größten Herausforderungen bei ihrer Entwicklung liegen jedoch in der Schwierigkeit, das System zu miniaturisieren und seine Erkennungsfähigkeiten bei der Bestimmung der genauen Gasspezies und ihrer Konzentrationen in komplexen Geruchsstoffmischungen zu verbessern.
Um diese Probleme anzugehen, hat das Forschungsteam um Prof. FAN Zhiyong, Lehrstuhlinhaber an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik sowie an der Fakultät für Chemie- und Biotechnik der HKUST, nutzte einen technischen Materialzusammensetzungsgradienten, der eine breite Palette unterschiedlicher Sensoren auf einem kleinen nanostrukturierten Chip ermöglicht. Ihre biomimetischen Geruchschips nutzen die Kraft künstlicher Intelligenz und weisen eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gasen mit hervorragender Unterscheidbarkeit für Mischgase und 24 verschiedene Gerüche auf. Mit der Vision, die Anwendungsmöglichkeiten seines Geruchschips zu erweitern, integrierte das Team die Chips auch in Vision-Sensoren an einem Roboterhund und schuf so ein kombiniertes Geruchs- und visuelles System, das Objekte in Blindboxen genau identifizieren kann.
Die Entwicklung der biomimetischen Geruchschips wird nicht nur die bestehenden breiten Anwendungen der künstlichen Geruchs- und E-Nasen-Systeme in der Lebensmittel-, Umwelt-, medizinischen und industriellen Prozesskontrolle usw. verbessern, sondern auch neue Möglichkeiten in intelligenten Systemen wie fortschrittlichen Robotern eröffnen und tragbare intelligente Geräte für Anwendungen bei Sicherheitspatrouillen und Rettungseinsätzen.
Bei ihren Anwendungen in der Echtzeitüberwachung und Qualitätskontrolle können die biomimetischen Geruchschips beispielsweise zur Erkennung und Analyse spezifischer Gerüche oder flüchtiger Verbindungen im Zusammenhang mit verschiedenen Phasen industrieller Prozesse eingesetzt werden, um die Sicherheit zu gewährleisten; bei der Umweltüberwachung ungewöhnliche oder gefährliche Gase erkennen; und Leckagen in Rohren identifizieren, um eine rechtzeitige Reparatur zu ermöglichen.
Die in dieser Studie vorgestellte bahnbrechende Technologie stellt einen entscheidenden Durchbruch im Bereich der Geruchsdigitalisierung dar. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft den Siegeszug der Digitalisierung visueller Informationen erlebt, die durch moderne und ausgereifte bildgebende Sensortechnologien ermöglicht wird, ist der Bereich der geruchsbasierten Informationen aufgrund des Fehlens fortschrittlicher Geruchssensoren noch unerschlossen. Die visionäre Arbeit von Prof. Fans Team hat den Weg für die Entwicklung biomimetischer Geruchssensoren geebnet, die ein enormes Potenzial besitzen. Mit weiteren Fortschritten könnten diese Sensoren eine weit verbreitete Anwendung finden, ähnlich der allgegenwärtigen Präsenz miniaturisierter Kameras in Mobiltelefonen und tragbaren Elektronikgeräten, und dadurch die Lebensqualität der Menschen bereichern und verbessern.
Prof. Fan ist daran interessiert, einen praktischen Ansatz mit gewagter Fantasie zu kombinieren, um erstklassige Forschung voranzutreiben, die soziale Auswirkungen erzeugt. Er arbeitete mehr als zwei Jahrzehnte an biomimetischen Sinnessystemen, begann zunächst mit dem visuellen System und entwickelte 3 erfolgreich das weltweit erste sphärische künstliche Auge mit 2020D-Netzhaut. Aufgrund dieses Erfolgs wagte er sich in das olfaktorische System vor und steigerte seine Arbeit durch die Integration beider Systeme, um intelligentere Roboter mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten zu realisieren.
„Mit der Entwicklung geeigneter biokompatibler Materialien hoffen wir, dass der biomimetische Geruchschip in Zukunft auch am menschlichen Körper angebracht werden kann, um uns das Riechen von Gerüchen zu ermöglichen, die normalerweise nicht gerochen werden können.“ Es kann auch die Anomalien flüchtiger organischer Moleküle in unserem Atem überwachen und von unserer Haut ausstoßen, um uns vor möglichen Krankheiten zu warnen und so ein weiteres Potenzial der biomimetischen Technik auszuschöpfen“, sagte Prof.
(a) Konfiguration von Prof. Das biomimetische Geruchschip-System (BOC) von Fan wurde auf einem Roboterhund zur Blindbox-Differenzierung installiert. (b) Erkennung von Kästchen durch Computer Vision, also die Kamera. (c) Anerkennungsergebnis des BOC-Systems. (d) In Echtzeit aufgezeichnetes Widerstandssignal eines Sensors. (Bild: HKUST) Forscher auf der ganzen Welt haben künstliche Geruchs- und elektronische Nasen (E-Nasen) entwickelt, mit dem Ziel, den komplizierten Mechanismus des biologischen Geruchssystems nachzuahmen, um komplexe Geruchsstoffmischungen effektiv zu erkennen. Die größten Herausforderungen bei ihrer Entwicklung liegen jedoch in der Schwierigkeit, das System zu miniaturisieren und seine Erkennungsfähigkeiten bei der Bestimmung der genauen Gasspezies und ihrer Konzentrationen in komplexen Geruchsstoffmischungen zu verbessern.
Um diese Probleme anzugehen, hat das Forschungsteam um Prof. FAN Zhiyong, Lehrstuhlinhaber an der Fakultät für Elektrotechnik und Computertechnik sowie an der Fakultät für Chemie- und Biotechnik der HKUST, nutzte einen technischen Materialzusammensetzungsgradienten, der eine breite Palette unterschiedlicher Sensoren auf einem kleinen nanostrukturierten Chip ermöglicht. Ihre biomimetischen Geruchschips nutzen die Kraft künstlicher Intelligenz und weisen eine außergewöhnliche Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Gasen mit hervorragender Unterscheidbarkeit für Mischgase und 24 verschiedene Gerüche auf. Mit der Vision, die Anwendungsmöglichkeiten seines Geruchschips zu erweitern, integrierte das Team die Chips auch in Vision-Sensoren an einem Roboterhund und schuf so ein kombiniertes Geruchs- und visuelles System, das Objekte in Blindboxen genau identifizieren kann.
Die Entwicklung der biomimetischen Geruchschips wird nicht nur die bestehenden breiten Anwendungen der künstlichen Geruchs- und E-Nasen-Systeme in der Lebensmittel-, Umwelt-, medizinischen und industriellen Prozesskontrolle usw. verbessern, sondern auch neue Möglichkeiten in intelligenten Systemen wie fortschrittlichen Robotern eröffnen und tragbare intelligente Geräte für Anwendungen bei Sicherheitspatrouillen und Rettungseinsätzen.
Bei ihren Anwendungen in der Echtzeitüberwachung und Qualitätskontrolle können die biomimetischen Geruchschips beispielsweise zur Erkennung und Analyse spezifischer Gerüche oder flüchtiger Verbindungen im Zusammenhang mit verschiedenen Phasen industrieller Prozesse eingesetzt werden, um die Sicherheit zu gewährleisten; bei der Umweltüberwachung ungewöhnliche oder gefährliche Gase erkennen; und Leckagen in Rohren identifizieren, um eine rechtzeitige Reparatur zu ermöglichen.
Die in dieser Studie vorgestellte bahnbrechende Technologie stellt einen entscheidenden Durchbruch im Bereich der Geruchsdigitalisierung dar. Während die wissenschaftliche Gemeinschaft den Siegeszug der Digitalisierung visueller Informationen erlebt, die durch moderne und ausgereifte bildgebende Sensortechnologien ermöglicht wird, ist der Bereich der geruchsbasierten Informationen aufgrund des Fehlens fortschrittlicher Geruchssensoren noch unerschlossen. Die visionäre Arbeit von Prof. Fans Team hat den Weg für die Entwicklung biomimetischer Geruchssensoren geebnet, die ein enormes Potenzial besitzen. Mit weiteren Fortschritten könnten diese Sensoren eine weit verbreitete Anwendung finden, ähnlich der allgegenwärtigen Präsenz miniaturisierter Kameras in Mobiltelefonen und tragbaren Elektronikgeräten, und dadurch die Lebensqualität der Menschen bereichern und verbessern.
Prof. Fan ist daran interessiert, einen praktischen Ansatz mit gewagter Fantasie zu kombinieren, um erstklassige Forschung voranzutreiben, die soziale Auswirkungen erzeugt. Er arbeitete mehr als zwei Jahrzehnte an biomimetischen Sinnessystemen, begann zunächst mit dem visuellen System und entwickelte 3 erfolgreich das weltweit erste sphärische künstliche Auge mit 2020D-Netzhaut. Aufgrund dieses Erfolgs wagte er sich in das olfaktorische System vor und steigerte seine Arbeit durch die Integration beider Systeme, um intelligentere Roboter mit erweiterten Anwendungsmöglichkeiten zu realisieren.
„Mit der Entwicklung geeigneter biokompatibler Materialien hoffen wir, dass der biomimetische Geruchschip in Zukunft auch am menschlichen Körper angebracht werden kann, um uns das Riechen von Gerüchen zu ermöglichen, die normalerweise nicht gerochen werden können.“ Es kann auch die Anomalien flüchtiger organischer Moleküle in unserem Atem überwachen und von unserer Haut ausstoßen, um uns vor möglichen Krankheiten zu warnen und so ein weiteres Potenzial der biomimetischen Technik auszuschöpfen“, sagte Prof.
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- Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64946.php
