SNIFFI: il naso elettronico che da' forma agli odori

Gli odori ci circondano quotidianamente e l'olfatto è, tra i nostri sensi, quello più primordiale e meno rappresentato dalla tecnologia di massa odierna. Rappresentare un odore oggi è una sfida.
Di Alberto Nisti, Innosensor srl - Project Manager e Ettore Massera, ENEA

Gli odori ci circondano quotidianamente e l'olfatto è, tra i nostri sensi, quello più primordiale e meno rappresentato dalla tecnologia di massa odierna.

Rappresentare un odore oggi è una sfida.

In laboratorio siamo in grado di analizzare gli odori e associare ad essi la miscela di composti chimici volatili che li compongono.

Proprio dallo studio degli odori si comprende quanto essi siano complessi e quanto sia potente ed efficace l'elaborazione sensoriale che compie il nostro cervello quando avvertiamo potenziali pericoli o distinguiamo la bontà di un cibo semplicemente dall'odore che emette.

Nella ricerca dedicata all'olfatto artificiale si studia come registrare e rendere fruibile all'elaborazione elettronica gli odori che percepiamo quotidianamente ma ad oggi non esiste una macchina in grado di imitare l'olfatto. Imitare l'olfatto in sintesi significa fornire una rappresentazione, una mappa che possa essere associata ad un odore, fornire quindi una rappresentazione visiva degli odori.

Da più di 20 anni si parla di Nasi Elettronici, oggetti in grado di riconoscere e catalogare odori. Tali strumenti negli anni si sono particolarmente affinati e riescono sempre più finemente a svolgere il loro lavoro. In sintesi, il naso elettronico riconosce sostanze chimiche grazie all'analisi multivariata dei segnali dei suoi sensori. Ciò significa che lo strumento analizza un campione d'aria e fornisce all'operatore una stima dei composti chimici che è in grado di riconoscere. L'approccio della Macchina Odorografica è diverso: dovrebbe fornire all'operatore una rappresentazione visiva dell'odore che può essere interpretata dall'operatore per i suoi scopi.

Per maggiore chiarezza possiamo fare un parallelo con la fotografia: la macchina fotografica registra e rappresenta le emanazioni luminose del mondo fisico che ci circonda ma tocca a noi con la nostra esperienza sensoriale riconoscere e giudicare i contenuti delle fotografie. L'analisi multivariata applicata alla fotografia permette il riconoscimento automatico di volti oggetti etc. Si può concludere quindi che la Macchina Odorografica è uno strumento in grado di rappresentare odori ed è concettualmente diversa da un naso elettronico che riconosce gli odori per cui è addestrato.

SNIFFI vuole essere un primo passo verso il prototipo di Macchina Odorografica. Le sfide tecnologiche sono diverse: si parte dai sensori che dovrebbero essere in numero sufficiente per sensibilità, specificità e stabilità tali da poter catturare abbastanza informazioni da rappresentare l'odore; la tecnica di campionamento dell'aria deve assicurare la ripetibilità delle analisi; l'estrazione delle informazioni e la rappresentazione visiva dell'analisi devono fornire all'operatore un immagine che possa essere associata univocamente al campione d'aria analizzato. La nostra esperienza decennale nel campo della sensoristica a stato solido e dell'analisi multivariata di segnali di matrici di sensori ci ha portato a progettare uno strumento basato su sensori a stato solido di fascia economica, ma che possono essere affiancati da sensori prototipali.

Essendo ad oggi uno strumento di laboratorio, è stato assemblato cercando di utilizzare quanto più possibile tecnologie Open Source in modo da avere la possibilità di creare una comunità di sviluppo intorno all'oggetto. Schematicamente, SNIFFI è uno strumento che analizza in pochi minuti campioni d'aria in una camera con una matrice di 15 sensori a stato solido fornendo all'operatore una mappa dell'odore che i sensori sono riusciti a rilevare. Un esempio della mappa è illustrato in figura (fig.2) e mostra due quadranti: a sx un istogramma che da informazioni sull'intensità dell'odore, a destra una “contour map” che rappresenta l'impronta odorifera del campione d'aria analizzato. Bisogna sottolineare la portabilità dello strumento che è poco ingombrante, facilmente trasportabile e dotato di batteria e connessioni senza fili.

Semplificando il funzionamento della macchina, possiamo dire che lo strumento mima l'olfatto. Il processo di annusare, tecnicamente consiste in un campionamento dell'aria che poi andrà ad eccitare i sensori che vengono mantenuti in aria pulita grazie ad un sistema di filtraggio a carboni attivi. Al momento in cui l'odore entra nella camera sensori (inspirazione), i segnali dei sensori si sbilanciano e seguono una cinetica che dipende dalla tipologia del sensore, dalla posizione all'interno della camera e da come e quanto odore arriva in camera. Infine, rimettendo nuovamente aria filtrata in camera (espirazione) i segnali dei sensori tendono a rilassare con cinetiche diverse dall'inspirazione.

Poiché i sensori sono a-specifici ma di tipologie diverse, ogni sensore risponderà diversamente ad un determinato odore. La mappa del pattern olfattivo rappresenterà quindi non tanto le intensità degli odori quanto le differenze di risposta e di velocità di risposta tra i sensori. Per fare in modo che le misurazioni siano ripetibili e confrontabili, l'operatore imposta delle ricette di analisi che la macchina esegue in maniera autonoma. Catalogare e rendere confrontabili odori come immagini permetterebbe di popolare archivi elettronici su cui addestrare rapidamente intelligenza artificiale nelle applicazioni più disparate.


Campi d'applicazione della Macchina
Odorografica Una Macchina Odorografica può essere utile quando bisogna studiare uno scenario olfattivo poco conosciuto. Invece di utilizzare strumenti analitici da laboratorio con sistemi di campionamento lenti e onerosi, la Macchina Odorografica può rapidamente caratterizzare l'odore d'interesse direttamente “IN SITU” e valutarne le evoluzioni ed eventuali contaminazioni o deterioramento. Data la flessibilità dello strumento che è in grado di ospitare una grande varietà di sensori a stato solido, è possibile valutare il migliore set di sensori per l'odore da studiare. Fino ad oggi SNIFFI è stato impiegato proprio per valutare la capacità di funzionamento di matrici di sensori a stato solido nel senso di fornire informazioni utili in scenari applicativi ben definiti.

Di seguito sono illustrati brevemente tre progetti di ricerca in cui è impiegata la Macchina Odorografica.


Misura della chetonemia attraverso l'espirato
SNIFFI nasce come dimostratore realizzato dal Centro di Ricerche ENEA di Portici per il progetto di ricerca ”FUZI: Sistemi Polimerici con FUnZIonalità Integrate” nell’ambito del Programma Operativo Nazionale Ricerca e Competitività 2007- 2013 (PON R&C). Il Programma è stato finanziato sia con risorse nazionali che con risorse comunitarie provenienti dal Fondo europeo di sviluppo regionale (FESR). L'obiettivo era quello di realizzare un dimostratore che permettesse di valutare il grado di glicemia del sangue mediante analisi non invasiva.

Con il dimostratore abbiamo condotto una campagna esplorativa di campionamenti d’espirato presso l’ambulatorio di diabetologia pediatrica del Primo Policlinico di Napoli con la collaborazione del Dott Dario Iafusco. In Ospedale sono state misurate glicemia e chetonemia ai pazienti al momento del prelievo dell’espirato. Il paziente non segue nessuna dieta preventiva e l’addestramento del paziente per il campionamento è immediato.

La Macchina Odorifera ha mostrato sensibili e ripetibili alterazioni del pattern odorifero di pazienti con chetonemia fuori norma. Confrontando le analisi di laboratorio con le mappe fornite da SNIFFI, è evidente la possibilità di valutare con le sole mappe fornite dalla macchina odorifera il livello di chetonemia dei pazienti e quanto questo sia alterato rispetto ad un paziente sano.


Misura delle alterazioni odorifere di piante sotto stress
La Macchina Odorifera è stata impiegata nel Progetto PON SMARTAGS come utile strumento per valutare l'impiego di sensori polimerici per il monitoraggio dello stato di salute di piante cresciute in serra, quindi in uno scenario di forte impatto nel campo agronomico e biologico.

Dopo l'allestimento del microcosmo con piante di pomodoro (vedi fig. 3), sono state effettuate periodiche analisi dell'aria circolante nel microcosmo nell'arco di 2 mesi con SNIFFI dotato di un set di sensori di cui, sui 15 sensori installati, ben 6 erano film polimerici funzionalizzati sviluppati nell'ambito del progetto nei nostri laboratori.


Valutazione dello stato di contaminazione di superfici di carbonio
Nel progetto Europeo Horizon 2020 “COMBOndt” si studiano strumenti in grado di identificare, classificare e rilevare eventuali contaminanti sulle superfici di lamine di carbonio utilizzate per la costruzione o riparazione di aeromobili.

La presenza di contaminanti, infatti, è un rischio per la sicurezza in quanto causa imperfezioni nelle giunzioni incollate, determinando potenziali alterazioni delle caratteristiche meccaniche. Tra le tecnologie d'avanguardia prese in considerazione dal progetto è contemplato anche l'olfatto artificiale.

In quest'ambito SNIFFI è utilizzato per la valutazione dell'impiego corretto di matrici di sensori di gas con lo scopo di arrivare a un prototipo che possa essere adoperato efficacemente in questo scenario.


Perché SNIFFI invece di un naso elettronico
In effetti un naso elettronico con qualche modifica software potrebbe fare qualcosa di simile a SNIFFI, quindi cosa rende originale la Macchina Odorografica? Fondamentalmente il costo e l'impostazione OPEN del progetto: la Macchina Odorografica è pensata per poter avere una diffusione di massa nelle università e nei centri di ricerca, quindi costare 100 – 1000 volte meno di un naso elettronico che ad oggi è uno strumento semianalitico da laboratorio.

Ad oggi, questo strumento è pensato per essere il più possibile modulare per adattarsi a qualsiasi scenario e quindi attrarre sviluppatori che possano verticalizzare le prestazioni. Per tale motivo SNIFFI non è coperto da nessun brevetto e gli schemi, i disegni e i listati delle parti progettate saranno, a breve, a disposizione del pubblico sotto licenze Creative Commons.



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