Kunstig nese snuser seg fram til skadet frukt og bedervet kjøtt

Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

En antenne-nese er skapt i et laboratorium på Gjøvik. (Foto: Mads Wang-Svendsen)

Den har allerede vist seg i stand til å oppdage dårlig mat. Nå er den på sporet av sykdommer. 

Selv om lukt historisk har spilt en viktig rolle i kampen mot både pest og tuberkulose, er nesen vår generelt sett ikke følsom nok til å brukes som et pålitelig diagnoseverktøy.

Nå kan en ny kunstig nese likevel gjøre det mulig å snuse seg fram til både uoppdagede sykdommer, helsefarlige gasser og mat som er i ferd med å bli fordervet. Nesen er inspirert av luktesansen vår.

Og det ved hjelp av teknologi som allerede omgir oss.

Omringet av antenner

Hva har mobilen, datamaskinen og TV-en din til felles? Antenner.

– Vi er bokstavelig talt omringet av teknologi som kommuniserer ved hjelp av antenneteknologi, forteller Michael Cheffena.

Han er professor i telekommunikasjon ved NTNU i Gjøvik. Han mener at denne teknologien kan brukes til langt mer enn bare kommunikasjon:

Ved NTNU i Gjøvik jobbes det med å koble sensorer med antenneteknologi for at den skal kunne gjenkjenne ulike typer lukt. (Foto: Mads Wang-Svendsen)

– Ved å gi antennene sensorfunksjoner kan den allerede eksisterende infrastrukturen få flere nye bruksområder. Det har vært en av hovedmotivasjonene til å undersøke om antenner kan brukes til dette formålet, forklarer han.

Det enkle er ofte det beste

Tidligere forsøk på å lage såkalte elektroniske neser har nemlig ikke hatt fordelen av å ha en allerede utbygd infrastruktur tilgjengelig. 

De har i tillegg vært preget av en rekke andre utfordringer som antenneteknologien trolig kan løse, forklarer Cheffena.

– Andre elektroniske neser kan ha flere hundre sensorer. De er ofte belagt med hvert sitt materiale. Det gjør dem både svært strømkrevende å bruke og kostbare å produsere. De har i tillegg et høyt materialforbruk. Antennesensoren består til forskjell kun av én antenne med én type belegg, sier forskeren.

Forsker Yu Dang (til høyre) forteller at sensoren de har utviklet, skiller mellom ulike gasser med 96,7 prosent nøyaktighet. Her med professor Michael Cheffena. (Foto: Mads Wang-Svendsen)

– Det må vel gå på bekostning av nøyaktighet og funksjonalitet?

Snarere tvert imot, mener Yu Dang. Han er forsker ved Institutt for vareproduksjon og byggteknikk på NTNU i Gjøvik.

Lukten av bensin og nyklippet gress

Dang forteller at sensoren deres skiller mellom de ulike gassene de har prøvd den på, med 96,7 prosent nøyaktighet. Det er et resultat som ikke bare er helt på høyde med det de beste elektroniske nesene til nå presterer. 

På enkelte områder gjør den det endatil skarpere.

Men for å forstå hvordan skal vi forsøke å si litt om hvordan antenne-nesen faktisk virker:

Antennen sender radiosignaler i en rekke ulike frekvenser ut i omgivelsene. Deretter undersøker den hvordan de reflekteres tilbake. Måten signalene oppfører seg på, endrer seg nemlig ut fra hvilke gasser som er til stede. Og siden antennen sender ut signaler i flere frekvenser, danner endringene unike mønstre. De kan knyttes opp mot helt spesifikke flyktige organiske forbindelser.

Flyktige organiske forbindelser er gasser som omgir oss hele tiden. De kjennetegnes av et lavt kokepunkt. Det gjør at de lett fordamper i lave temperaturer. 

Og selv om de verken kan ses eller føles, har du helt sikkert luktet flere av dem.

Alle levende organismer skiller nemlig ut flyktige organiske forbindelser. Det inkluderer planter. Ofte gjør de dette for å beskytte seg mot skadedyr eller for å kommunisere med hverandre. Lukten av nyklippet gress er et velkjent eksempel på det.

Dunsten fra bensinen som gressklipperen din går på, er et annet eksempel. Og siden mange av produktene vi bruker og materialene vi omgir oss med, også skiller ut flyktige organiske forbindelser, betyr det at det i de fleste omgivelser vil være et stort antall gasser i ulike kombinasjoner til stede. 

Det gjør jobben med å skille vesentlige fra uvesentlige gasser svært krevende.

Og enda vanskeligere blir det når man blander isomerer inn i miksen, forklarer Yu Dang.

De vanskelige tvillingene

– Isomerer er kjemiske forbindelser som har samme molekylære formel, men hvor atomene er bundet sammen på litt forskjellige måter, sier han.

De er litt som tvillinger, forklarer forskerne: Svært like, men likevel ikke identiske.

– Disse forbindelsene har lenge vært en utfordring for denne typen sensorteknologi. Selv de mest kompliserte e-nesene med mange ulike sensorer sliter med dem, forklarer Yu Dang.

Han er derfor svært godt fornøyd med at antenne-sensoren deres presterer så godt selv på disse vanskelige forbindelsene.

Kan kanskje avsløre sykdom

Så langt har sensorteknologien blant annet vært testet på slagskadet frukt og kjøtt av ulik alder. 

Ved å justere algoritmene som oppdager de ulike gassenes helt spesielle «fingeravtrykk», mener forskerne at den også kan være i stand til å lukte sykdommer.

Det er flyktige organiske forbindelser som gjør det mulig for trente hunder å lukte helsetruende endringer i blodsukkeret og sykdommer som kreft. Prinsippet er altså langt på vei det samme, forklarer Yu Dang.

I motsetning til hunder er antennesensoren imidlertid ikke avhengig av månedsvis med trening eller spesialiserte hundeførere for å brukes. Og utgangspunktet har du allerede hjemme i stua di.

Referanse: 

Yu Dang, Yenugu Veera Manohara Reddy og Michael Cheffena: Facile E-nose based on single antenna and graphene oxide for sensing volatile organic compound gases with ultrahigh selectivity and accuracy. Sensors and Actuators B: Chemical, 2024. Doi.org/10.1016/j.snb.2024.136409