Американские инженеры усовершенствовали систему детекции взрывчатых веществ, снабдив ее искусственным собачьи носом, способным к «активному нюханию». Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Традиционные системы обнаружения взрывчатки, наркотиков и других запрещенных веществ основаны либо на пассивном попадании молекул летучих веществ из воздуха на сенсорный чип, либо на непрерывном засасывании воздуха в устройство. Недостаток пассивного подхода заключается в том, что для обнаружения чего-либо детектор нужно поднести непосредственно к образцу. Детекторы, основанные на засасывании воздуха, более чувствительны, однако и они способны обнаруживать взрывчатые вещества только в пределах определенного радиуса, на который распространяется засасывающая сила устройства.

Собачий нос, в отличие от искусственных систем обнаружения веществ, способен активно нюхать (то есть вдыхать и выдыхать воздух) для захвата содержащихся в воздухе молекул. Каждый выдох собачьего носа при этом помогает последующему вдоху: потоки теплого выдыхаемого воздуха «сдувают» молекулы с поверхностного слоя вещества, позволяя вдохнуть их при следующем вдохе. Потоки выдыхаемого воздуха при этом направлены вниз и вбок, что позволяет не только не сдуть летучие вещества, находящиеся непосредственно перед носом, но и затянуть их ближе к ноздрям для последующего вдоха. В результате серий из таких вдохов и выдохов, происходящих с частотой около 5 раз в секунду, собачий нос активно захватывает молекулы летучих веществ на довольно большом расстоянии.

Схема работы собачьего носа. Staymates et al. 2016

Авторы решили использовать механику собачьего носа для усовершенствования существующего детектора VaporTracer. С помощью 3D-принтера инженеры напечатали модель собачьего носа, основанную на характеристиках носа самки лабрадора, включая форму, направление носовых каналов и расстояние между ноздрями. Присоединив этот нос к детектору, авторы воспроизвели в нем движение воздуха с той же частотой вдохов и выдохов, которая наблюдается в настоящем собачьем носу. Движение воздуха в этой системе авторы анализировали с помощью шлирен-метода, позволяющего визуализировать воздушные потоки за счет выявления оптических неоднородностей в прозрачных преломляющих средах, и высокоскоростной съемки.

Оказалось, что искусственный собачий нос способен нюхать не хуже настоящего: во время каждого выдоха воздух не только выдыхался вбок, но и позволял затягивать порцию воздуха для следующего вдоха. Авторы также сравнили работу детектора VaporTracer с прикрепленным к нему искусственным носом с обычным режимом работы детектора, во время которого он засасывает воздух каждые 10 секунд. В качестве тестового вещества использовался диметилформамид — органическое соединение с крайне слабым запахом. Оказалось, что детектор с носом способен распознавать диметилформамид на расстоянии 4 сантиметра в 16 раз эффективнее, чем детектор, работающий в обычном режиме.

Собаки обладают очень острым обонянием и способны распознавать даже следовые количества летучих веществ. Благодаря этому их используют для поиска взрывчатки и наркотиков. Кроме того, показано, что собаки способны улавливать молекулярные маркеры диабета I типа и рака легких — хотя в последней их способности ученые недавно усомнились.

Автор: Софья Долотовская