Sviluppato dalla tedesca AIRSENSE Analytics, pesa poco più di due chili e utilizza una matrice di sensori MOS insieme ad algoritmi di riconoscimento. Dopo l’addestramento può distinguere l’impronta prodotta da sostanze e miscele di gas
Un apparecchio grande più o meno quanto una valigetta, dieci sensori al suo interno e un algoritmo che impara a riconoscere gli odori. È PEN 3, il naso elettronico portatile sviluppato dalla tedesca AIRSENSE Analytics, azienda di Schwerin che lavora nel campo della sensoristica e della rilevazione chimica.
Il principio è molto diverso da quello dell’olfattometria dinamica. In questo caso non c’è un panel di persone chiamato ad annusare un campione. A entrare in contatto con l’aria sono sensori che reagiscono alle sostanze presenti e producono segnali elettrici.
Il risultato non è semplicemente una risposta del tipo “c’è odore” oppure “non c’è odore”. Il sistema costruisce una sorta di impronta digitale della miscela gassosa e la confronta con quelle che ha imparato in precedenza.
È proprio qui che sta uno degli aspetti più interessanti della tecnologia.
Dieci sensori che lavorano insieme
Il PEN 3 utilizza una matrice composta da dieci differenti sensori MOS, Metal Oxide Semiconductor.
I sensori lavorano a temperature comprese indicativamente tra 350 e 500 gradi e reagiscono quando entrano in contatto con determinate sostanze volatili. Le variazioni vengono trasformate in segnali elettrici e successivamente elaborate dal sistema informatico.
Secondo la documentazione tecnica AIRSENSE, il tempo di risposta tipico dei sensori è inferiore a un secondo, mentre una misurazione completa dipende dall’applicazione e può richiedere da pochi secondi ad alcuni minuti. Una configurazione tipica prevede circa un minuto complessivo.
Il flusso del campione può essere regolato fra 10 e 400 millilitri al minuto, mentre pompe e sistema di diluizione sono integrati direttamente nell’apparecchio.
Prima deve imparare l’odore
Il punto fondamentale è che un naso elettronico deve essere addestrato.
PEN 3 registra contemporaneamente la risposta dei suoi dieci sensori. La combinazione dei segnali crea un pattern caratteristico della sostanza o della miscela analizzata.
Dopo una fase di training, il software può quindi confrontare un nuovo campione con le impronte precedentemente memorizzate e classificarlo in funzione dei modelli conosciuti.
AIRSENSE mette a disposizione il software WinMuster PEN per la valutazione dei dati e utilizza differenti strumenti matematici e statistici per l’analisi dei pattern, tra cui PCA, LDA e DFA.
In parole semplici, il dispositivo non cerca necessariamente una singola molecola: impara la forma complessiva della risposta prodotta da un determinato odore.
È un principio simile, almeno concettualmente, a quello del nostro sistema olfattivo. Quando entriamo in una stanza e riconosciamo immediatamente l’odore del caffè, il cervello interpreta una combinazione complessa di stimoli. Un e-nose prova a fare qualcosa di analogo attraverso sensori e algoritmi.
Un laboratorio da 2,1 chili
Uno dei punti di forza del PEN 3 è la portabilità.
L’apparecchio misura 255 x 190 x 92 millimetri e pesa 2,1 chilogrammi. Può funzionare collegato a un computer oppure come unità indipendente e dispone di registrazione dei dati per successive analisi.
La possibilità di spostare il dispositivo consente di portare la sensoristica fuori dal tradizionale laboratorio.
Ed è un aspetto particolarmente interessante quando si parla di odori, perché gli episodi odorigeni possono essere intermittenti e cambiare rapidamente in funzione del processo produttivo e delle condizioni ambientali.
Dagli alimenti all’ambiente
Le applicazioni indicate da AIRSENSE sono molto ampie.
L’azienda cita industria alimentare, agricoltura, monitoraggio ambientale e ambiti medico-sanitari tra i settori nei quali può essere utilizzata la tecnologia del naso elettronico.
Nel controllo qualità alimentare, ad esempio, un’impronta olfattiva può contribuire a individuare differenze tra prodotti o variazioni rispetto a uno standard precedentemente acquisito.
Nel settore ambientale l’interesse riguarda invece la possibilità di utilizzare sensori e riconoscimento dei pattern per seguire la presenza e le variazioni di determinate miscele nell’aria.
AIRSENSE sviluppa separatamente anche OlfoSense, una soluzione specificamente rivolta al monitoraggio ambientale continuo.
Quanto è sensibile?
La scheda tecnica del PEN 3 indica limiti di rilevazione compresi indicativamente tra 0,1 e 5 ppm per gas e solventi organici, variabili in funzione della sostanza.
Per l’idrogeno solforato, H₂S, viene riportato come esempio un limite di rilevazione di 0,1 ppm.
Il dato è interessante soprattutto perché l’H₂S è uno dei composti più conosciuti nel settore delle emissioni odorigene, associato al caratteristico odore di uova marce e presente in diversi processi industriali e di trattamento delle acque reflue.
Questo non significa però che il PEN 3 debba essere considerato semplicemente un rilevatore di H₂S. La logica del naso elettronico è più ampia: utilizzare contemporaneamente più sensori per ottenere un profilo complessivo del campione.
Naso elettronico e naso umano non sono la stessa cosa
È importante anche evitare un equivoco.
Un naso elettronico non misura l’odore esattamente nello stesso modo in cui lo percepisce una persona e non sostituisce automaticamente l’olfattometria dinamica.
Il panel umano permette di determinare la risposta sensoriale all’odore. Una matrice di sensori misura invece una serie di risposte fisico-chimiche e utilizza algoritmi per riconoscere determinate configurazioni.
Sono quindi strumenti che rispondono a domande differenti e che, in determinate applicazioni, possono diventare complementari.
Ed è proprio questa integrazione uno dei fronti più interessanti dell’industria dell’olfatto: persone, sensori, analisi chimiche e algoritmi che osservano lo stesso fenomeno da punti di vista diversi.
PEN 3 rappresenta bene questa trasformazione. Un oggetto di poco più di due chili può raccogliere continuamente le risposte di dieci sensori e trasformarle in una firma digitale.
L’odore, almeno per una macchina, diventa così un insieme di numeri da imparare e riconoscere.
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