Principio di funzionamento e architettura
generalizzata
Il naso elettronico è un sistema biomimetico, progettato cioè per imitare il funzionamento dei sistemi olfattivi che ritroviamo in natura come quello dei mammiferi o più specificatamente quello umano. Tipicamente un naso elettronico raccoglie ed elabora le informazioni provenienti da una serie di sensori di gas per lo più realizzati con tecnologia a stato solido. Tali informazioni sono inizialmente codificate come grandezze elettriche, ma vengono immediatamente acquisite e digitalizzate al fine di essere elaborate numericamente da un sistema di elaborazione. In pratica, un odorante viene descritto dal naso elettronico, sulla base delle risposte dei singoli sensori, come un punto o una regione di uno spazio pluridimensionale. Grazie a particolari algoritmi mutuati dalla disciplina chiamata pattern recognition, un sistema naso elettronico costruirà, una mappa olfattiva che permetterà di effettuare sia analisi di tipo qualitativo sia di tipo quantitativo, discriminando, ad esempio, l'origine di un determinato prodotto alimentare dal suo solo odore. Buona parte di questi algoritmi opera confrontando la descrizione di un nuovo odorante con quella di opportuni campioni di esempio precedentemente valutati e richiedono, quindi, un periodo di tuning (fase di apprendimento) da effettuarsi precedentemente alla fase operativa. Al termine della fase di apprendimento il naso sarà in grado di classificare correttamente buona parte degli odoranti che gli saranno sottoposti. L'architettura di un naso elettronico è significativamente dipendente dall'applicazione di riferimento per il quale viene progettato; da un punto di vista generale, comunque, esso è di fatto caratterizzato dalla presenza di un sistema di aspirazione, da un numero cospicuo di sensori di gas, da un sottosistema di acquisizione e digitalizzazione e da un sottosistema di elaborazione dell'informazione capace di implementare opportuni algoritmi di classificazione o regressione.
Applicazioni
Attualmente i nasi elettronici vengono applicati
principalmente nell'industria alimentare per il riconoscimento della freschezza dei prodotti,
nella rilevazione di frodi (controllo di origine, adulterazione), nella
rilevazione di contaminanti come anche nell'industria ittica. Vengono inoltre applicati
anche nell'industria della cosmesi ed in
quella dei vini e liquori.
Il settore del monitoraggio ambientale e quello della
medicina rappresentano, invece, mercati emergenti per i nasi elettronici. In
entrambi questi campi, vengono utilizzati per la rilevazione di specie chimiche
prodotte da batteri, per esempio, per applicazioni ambientali il “ciano
batterio presente in specchi e corsi d'acqua, o nel campo medico per rivelare
la presenza di Escherichia coli”. Il problema fondamentale del naso elettronico
è, oltre un certo ingombro per la quantità di sensori e sistemi necessari al
funzionamento, l'utilizzo in ambienti di laboratorio o comunque controllati,
l'utilizzo di hardware e software non standardizzati.
Un aspetto importante per il futuro dei nasi elettronici
riguarda infatti la standardizzazione dell'hardware, del formato dati, dei
protocolli di comunicazione tra sistemi differenti (es. sensori plug and play
su standard IEEE 1451), protocollo di trasmissione su standard TCP/IP per la
probabile realizzazione di reti di misura basate su nasi elettronici.
Lo sviluppo di queste tecnologie e la loro standardizzazione
porterà i nasi elettronici a poter essere utilizzati anche con operatore con
assenza di nozioni sull'hardware e sul software dei nasi stessi.
In Italia esistono numerosi gruppi di ricerca ed
aziende che si occupano di queste tecnologie con ottimi risultati e rilevanza
internazionale. Presso il PSM (attualmente Istituto per la Microelettronica e
Microsistemi di Roma, CNR-IMM)in collaborazione con il Gruppo Sensori e
Microsistemi del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università degli studi di Tor Vergata, è stato sviluppato un naso
elettronico in grado di poter funzionare in numerosi contesti applicativi.
L'Area di Ricerca del CNR di Tor Vergata ha condotto, sotto la guida
del prof Arnaldo D'Amico, il primo esperimento per la trasmissione a distanza di
sensazioni olfattive di un naso elettronico. Questo esperimento apre le porte
per una applicazione dei nasi elettronico per la misurazione di odori in
qualsiasi parte del mondo e trasmetterli per trarne le caratteristiche. Nel
2003 il gruppo sensori dell’Università di Roma Tor Vergata, diretto da Corrado
Di Natale e Roberto Paolesse, dimostrò per la prima volta che il cancro al
polmone può essere rivelato dalla analisi dell’espirato con sensori di gas. I
sensori impiegati in questa ricerca sono basati su film molecolari di
metalloporfirine. L’uso di queste molecole è intrigante a causa del fatto che
una delle cause della variazione dei composti volatili in caso di cancro è lo
stress ossidativo. Lo stress ossidativo è il prodotto della azione dell’enzima
come il Citocromo P450 la cui parte prostetica è proprio una porfirina. La
stesso tipo di molecole che genera il composto volatile viene quindi utilizzato
per la rivelazione. Nel corso degli anni il gruppo sensori dell’Università di
Roma Tor Vergata ha esteso le applicazioni del naso elettronico ad altre
patologie respiratorie ed allo studio
delle colture cellulari. A tal riguardo è da menzionare la scoperta, in
collaborazione con la F. Sangiuolo e G. Novelli all’ Università di Roma Tor
Vergata, che le cellule staminali pluripotenti emettono uno spettro di
metaboliti volatili peculiare rispetto agli altri stati di differenziazione. In
ENEA (C.R. Portici) si stanno sviluppando piccoli nasi elettronici in grado di
operare in rete (wireless) e collaborare quindi tra loro al fine di ricostruire
l'immagine olfattiva di un ambiente per applicazioni di controllo della qualità
dell aria indoor. Il naso elettronico dell'ENEA è stato utilizzato
anche per il monitoraggio del rischio vulcanico nella Solfatara di Pozzuoli.
Questo oggetto è in grado di analizzare la miscela dei gas complessi
provenienti dalla solfatara e stabilire un indice di rischio vulcanico https://www.01net.it/naso-elettronico/
fantastico
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