Ngày 29 tháng 2024 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Một nhóm nghiên cứu do Trường Kỹ thuật thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Hồng Kông (HKUST) dẫn đầu đã giải quyết thách thức lâu dài trong việc tạo ra các cảm biến khứu giác nhân tạo với các mảng cảm biến khí hiệu suất cao đa dạng. Các chip khứu giác mô phỏng sinh học (BOC) mới được phát triển của họ có thể tích hợp các mảng cảm biến ống nano trên các chất nền xốp nano với tới 10,000 cảm biến khí có thể định địa chỉ riêng lẻ trên mỗi chip, một cấu hình tương tự như cách hoạt động của khứu giác đối với con người và các động vật khác. Nghiên cứu đã được công bố trên Tự nhiên Điện tử (“Chip khứu giác mô phỏng sinh học dựa trên mảng cảm biến ống nano tích hợp nguyên khối quy mô lớn”).
(a) Cấu hình của Prof. Hệ thống chip khứu giác mô phỏng sinh học (BOC) của quạt được lắp đặt trên chó robot để phân biệt hộp mù. (b) Nhận dạng hộp bằng thị giác máy tính, tức là bằng camera. (c) Kết quả nhận dạng của hệ thống BOC. (d) Tín hiệu điện trở được ghi theo thời gian thực của cảm biến. (Hình ảnh: HKUST) Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát triển khứu giác nhân tạo và mũi điện tử (mũi điện tử) với mục đích mô phỏng cơ chế phức tạp của hệ thống khứu giác sinh học để phân biệt hiệu quả các hỗn hợp mùi phức tạp. Tuy nhiên, những thách thức lớn trong quá trình phát triển của chúng nằm ở khó khăn trong việc thu nhỏ hệ thống và tăng khả năng nhận dạng của nó trong việc xác định chính xác các loại khí và nồng độ của chúng trong các hỗn hợp chất tạo mùi phức tạp.
Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu do GS. FAN Zhiyong, Giáo sư chủ tịch tại Khoa Kỹ thuật Điện tử & Máy tính và Khoa Kỹ thuật Hóa học & Sinh học của HKUST, đã sử dụng gradient thành phần vật liệu được thiết kế cho phép tạo ra nhiều mảng cảm biến đa dạng trên một con chip có cấu trúc nano nhỏ. Tận dụng sức mạnh của trí tuệ nhân tạo, chip khứu giác mô phỏng sinh học của họ thể hiện độ nhạy đặc biệt với các loại khí khác nhau với khả năng phân biệt tuyệt vời đối với các loại khí hỗn hợp và 24 mùi riêng biệt. Với tầm nhìn mở rộng các ứng dụng của chip khứu giác, nhóm nghiên cứu cũng tích hợp chip với cảm biến thị giác trên chó robot, tạo ra hệ thống khứu giác và thị giác kết hợp có thể xác định chính xác các vật thể trong hộp mù.
Sự phát triển của chip khứu giác sinh học sẽ không chỉ cải thiện các ứng dụng rộng rãi hiện có của hệ thống khứu giác nhân tạo và mũi điện tử trong kiểm soát quá trình thực phẩm, môi trường, y tế và công nghiệp, v.v. mà còn mở ra những khả năng mới trong các hệ thống thông minh, chẳng hạn như robot tiên tiến và các thiết bị thông minh cầm tay, dành cho các ứng dụng trong hoạt động tuần tra an ninh và cứu hộ.
Ví dụ, trong các ứng dụng giám sát và kiểm soát chất lượng theo thời gian thực, chip khứu giác mô phỏng sinh học có thể được sử dụng để phát hiện và phân tích các mùi cụ thể hoặc hợp chất dễ bay hơi liên quan đến các giai đoạn khác nhau của quy trình công nghiệp để đảm bảo an toàn; phát hiện các loại khí bất thường, nguy hiểm trong quan trắc môi trường; và xác định rò rỉ trong đường ống để tạo điều kiện sửa chữa kịp thời.
Công nghệ đột phá được trình bày trong nghiên cứu này đóng vai trò là bước đột phá then chốt trong lĩnh vực số hóa mùi. Khi cộng đồng khoa học chứng kiến sự phổ biến thắng lợi của việc số hóa thông tin hình ảnh, được hỗ trợ bởi các công nghệ cảm biến hình ảnh hiện đại và hoàn thiện, lĩnh vực thông tin dựa trên mùi hương vẫn chưa được khai thác do thiếu cảm biến mùi tiên tiến. Công việc có tầm nhìn được thực hiện bởi Prof. Nhóm của Fan đã mở đường cho việc phát triển các cảm biến mùi sinh học có tiềm năng to lớn. Với những tiến bộ hơn nữa, những cảm biến này có thể được sử dụng rộng rãi, giống như sự hiện diện phổ biến của máy ảnh thu nhỏ trong điện thoại di động và thiết bị điện tử cầm tay, từ đó làm phong phú và nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Một học giả nổi tiếng quốc tế về khoa học và kỹ thuật vật liệu liên ngành, GS. Fan quan tâm đến việc kết hợp phương pháp tiếp cận thực tế với trí tưởng tượng táo bạo trong việc thúc đẩy nghiên cứu hàng đầu tạo ra tác động xã hội. Làm việc trên các hệ thống cảm giác mô phỏng sinh học trong hơn hai thập kỷ, lần đầu tiên ông bắt đầu với hệ thống thị giác và phát triển thành công mắt nhân tạo hình cầu đầu tiên trên thế giới có võng mạc 3D vào năm 2020. Dựa trên thành công này, anh đã mạo hiểm nghiên cứu hệ thống khứu giác và nâng cao công việc của mình bằng cách tích hợp cả hai hệ thống để tạo ra nhiều robot thông minh hơn với các ứng dụng mở rộng.
“Trong tương lai, với sự phát triển của các vật liệu tương thích sinh học phù hợp, chúng tôi hy vọng rằng chip khứu giác mô phỏng sinh học cũng có thể được đặt trên cơ thể con người để cho phép chúng ta ngửi được những mùi mà bình thường không thể ngửi được. Nó cũng có thể theo dõi những bất thường trong các phân tử hữu cơ dễ bay hơi trong hơi thở và phát ra từ da của chúng ta, để cảnh báo chúng ta về các bệnh tiềm ẩn, phát huy tiềm năng hơn nữa của kỹ thuật mô phỏng sinh học”, GS.
(a) Cấu hình của Prof. Hệ thống chip khứu giác mô phỏng sinh học (BOC) của quạt được lắp đặt trên chó robot để phân biệt hộp mù. (b) Nhận dạng hộp bằng thị giác máy tính, tức là bằng camera. (c) Kết quả nhận dạng của hệ thống BOC. (d) Tín hiệu điện trở được ghi theo thời gian thực của cảm biến. (Hình ảnh: HKUST) Các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới đã phát triển khứu giác nhân tạo và mũi điện tử (mũi điện tử) với mục đích mô phỏng cơ chế phức tạp của hệ thống khứu giác sinh học để phân biệt hiệu quả các hỗn hợp mùi phức tạp. Tuy nhiên, những thách thức lớn trong quá trình phát triển của chúng nằm ở khó khăn trong việc thu nhỏ hệ thống và tăng khả năng nhận dạng của nó trong việc xác định chính xác các loại khí và nồng độ của chúng trong các hỗn hợp chất tạo mùi phức tạp.
Để giải quyết những vấn đề này, nhóm nghiên cứu do GS. FAN Zhiyong, Giáo sư chủ tịch tại Khoa Kỹ thuật Điện tử & Máy tính và Khoa Kỹ thuật Hóa học & Sinh học của HKUST, đã sử dụng gradient thành phần vật liệu được thiết kế cho phép tạo ra nhiều mảng cảm biến đa dạng trên một con chip có cấu trúc nano nhỏ. Tận dụng sức mạnh của trí tuệ nhân tạo, chip khứu giác mô phỏng sinh học của họ thể hiện độ nhạy đặc biệt với các loại khí khác nhau với khả năng phân biệt tuyệt vời đối với các loại khí hỗn hợp và 24 mùi riêng biệt. Với tầm nhìn mở rộng các ứng dụng của chip khứu giác, nhóm nghiên cứu cũng tích hợp chip với cảm biến thị giác trên chó robot, tạo ra hệ thống khứu giác và thị giác kết hợp có thể xác định chính xác các vật thể trong hộp mù.
Sự phát triển của chip khứu giác sinh học sẽ không chỉ cải thiện các ứng dụng rộng rãi hiện có của hệ thống khứu giác nhân tạo và mũi điện tử trong kiểm soát quá trình thực phẩm, môi trường, y tế và công nghiệp, v.v. mà còn mở ra những khả năng mới trong các hệ thống thông minh, chẳng hạn như robot tiên tiến và các thiết bị thông minh cầm tay, dành cho các ứng dụng trong hoạt động tuần tra an ninh và cứu hộ.
Ví dụ, trong các ứng dụng giám sát và kiểm soát chất lượng theo thời gian thực, chip khứu giác mô phỏng sinh học có thể được sử dụng để phát hiện và phân tích các mùi cụ thể hoặc hợp chất dễ bay hơi liên quan đến các giai đoạn khác nhau của quy trình công nghiệp để đảm bảo an toàn; phát hiện các loại khí bất thường, nguy hiểm trong quan trắc môi trường; và xác định rò rỉ trong đường ống để tạo điều kiện sửa chữa kịp thời.
Công nghệ đột phá được trình bày trong nghiên cứu này đóng vai trò là bước đột phá then chốt trong lĩnh vực số hóa mùi. Khi cộng đồng khoa học chứng kiến sự phổ biến thắng lợi của việc số hóa thông tin hình ảnh, được hỗ trợ bởi các công nghệ cảm biến hình ảnh hiện đại và hoàn thiện, lĩnh vực thông tin dựa trên mùi hương vẫn chưa được khai thác do thiếu cảm biến mùi tiên tiến. Công việc có tầm nhìn được thực hiện bởi Prof. Nhóm của Fan đã mở đường cho việc phát triển các cảm biến mùi sinh học có tiềm năng to lớn. Với những tiến bộ hơn nữa, những cảm biến này có thể được sử dụng rộng rãi, giống như sự hiện diện phổ biến của máy ảnh thu nhỏ trong điện thoại di động và thiết bị điện tử cầm tay, từ đó làm phong phú và nâng cao chất lượng cuộc sống của con người.
Một học giả nổi tiếng quốc tế về khoa học và kỹ thuật vật liệu liên ngành, GS. Fan quan tâm đến việc kết hợp phương pháp tiếp cận thực tế với trí tưởng tượng táo bạo trong việc thúc đẩy nghiên cứu hàng đầu tạo ra tác động xã hội. Làm việc trên các hệ thống cảm giác mô phỏng sinh học trong hơn hai thập kỷ, lần đầu tiên ông bắt đầu với hệ thống thị giác và phát triển thành công mắt nhân tạo hình cầu đầu tiên trên thế giới có võng mạc 3D vào năm 2020. Dựa trên thành công này, anh đã mạo hiểm nghiên cứu hệ thống khứu giác và nâng cao công việc của mình bằng cách tích hợp cả hai hệ thống để tạo ra nhiều robot thông minh hơn với các ứng dụng mở rộng.
“Trong tương lai, với sự phát triển của các vật liệu tương thích sinh học phù hợp, chúng tôi hy vọng rằng chip khứu giác mô phỏng sinh học cũng có thể được đặt trên cơ thể con người để cho phép chúng ta ngửi được những mùi mà bình thường không thể ngửi được. Nó cũng có thể theo dõi những bất thường trong các phân tử hữu cơ dễ bay hơi trong hơi thở và phát ra từ da của chúng ta, để cảnh báo chúng ta về các bệnh tiềm ẩn, phát huy tiềm năng hơn nữa của kỹ thuật mô phỏng sinh học”, GS.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64946.php
