سيتم تعليم الذكاء الاصطناعي كيفية التعرف على الروائح مثل الإنسان

وذكرت المجلة هذا التقدم في علم المواد، حيث تم نشر عمل فريق بقيادة هيوك جون كوون من معهد دايجو جيونجبوك للعلوم والتكنولوجيا (كوريا الجنوبية). قام الباحثون بجمع وتنظيم التطورات الرئيسية في مجال تكنولوجيا “الأنف الإلكتروني” – بدءًا من مواد أجهزة الاستشعار وحتى خوارزميات الذكاء الاصطناعي التي تتعرف على الروائح من خلال “البصمة”.

ما هو الأنف الإلكتروني ولماذا هو مطلوب؟

الأنف الإلكتروني، أو نظام الشم الاصطناعي، عبارة عن تقنية تستجيب فيها أجهزة استشعار متعددة لجزيئات الرائحة، ويتعلم الذكاء الاصطناعي التعرف على أنماط الإشارات الناتجة وتحليلها. وتتراوح التطبيقات المحتملة بين سلامة الأغذية ومراقبة تلوث الهواء والكشف عن الغازات الخطرة وتشخيص الأمراض. تكمن المشكلة في أن المواد التقليدية المستخدمة في تصنيع أجهزة الاستشعار هذه تتسم بانتقائية ضعيفة (القدرة على التمييز الدقيق بين رائحة وأخرى)، وسرعة الاستجابة، وتتطلب ظروف تشغيل خاصة.

المادة التي تأخذ جديلة من الطبيعة

يعتقد الفريق أن الحل الرئيسي هو الأطر المعدنية العضوية، أو MOFs، وهي مواد مسامية مصنوعة من خلال الجمع بين الأيونات المعدنية والمركبات العضوية. بفضل المسام المجهرية، تمتص هذه الهياكل جزيئات الرائحة بشكل مثالي، ويمكن ضبط بنيتها وخصائصها الكيميائية بدقة لمهمة محددة. ولهذا السبب تعتبر الأطر العضوية المعدنية بمثابة جيل جديد من مواد الاستشعار – فهي قادرة على التقاط مجموعة واسعة من الروائح حتى في درجة حرارة الغرفة وبأقل استهلاك للطاقة.

والأمر المثير للاهتمام بشكل خاص هو أن المؤلفين يشرحون مبدأ تشغيل الأنف الإلكتروني، بالاعتماد على بنية حاسة الشم البشرية. لدى البشر أنواع قليلة نسبيًا من المستقبلات الشمية، لكننا لا نزال نميز عددًا كبيرًا من الروائح – لأن نفس جزيء الرائحة ينشط عدة مستقبلات في وقت واحد، مما يخلق مزيجًا فريدًا من الإشارات. يطلق العلماء على هذا المبدأ اسم “التشفير التوافقي”، وبالاعتماد عليه، اقترحوا مجموعة كاملة من مستشعرات MOC ذات خصائص استجابة مختلفة إلى جانب استراتيجية تحليل الإشارات القائمة على الذكاء الاصطناعي.

ثلاثة أنواع من المواد والذكاء الاصطناعي

قام الفريق بتقسيم تقنيات الأنف الإلكترونية MOC إلى ثلاث مجموعات. تعمل الأطر المعدنية العضوية نفسها كمنصة أساسية نظرًا لمسامية الإطار وبنيته، والتي يمكن تخصيصها حسب المهمة. تعمل مركبات الأطر العضوية المعدنية – وهي المواد التي يتم فيها دمج الأطر العضوية المعدنية مع مواد أخرى – على زيادة حساسية المستشعر واستقراره. كما تعمل مشتقات الأطر العضوية المعدنية، التي تم الحصول عليها عن طريق المعالجة الكيميائية للأطر الأصلية، على تحسين الانتقائية للروائح المرغوبة. وبالاشتراك مع أساليب التعلم الآلي والعميق، تتيح هذه المواد تصنيف وتفسير مجموعات معقدة من الروائح بشكل أكثر دقة.

يقول كوون: “توفر الأنوف الإلكترونية الذكية مكتبة غير محدودة تقريبًا من المواد التي يمكن هندستها للاستجابة بشكل مختلف للروائح المختلفة، تمامًا مثل المستقبلات الشمية البشرية. وتكمن أهمية هذا العمل في أنه يربط بين علوم المواد وأبحاث التعرف على الرائحة القائمة على الذكاء الاصطناعي، مع توفير خارطة طريق لتطوير أنوف إلكترونية ذكية خاصة بمهمة معينة”.

أين يمكن أن تكون أجهزة الاستشعار هذه مفيدة؟

ويتوقع الباحثون أن الأنوف الإلكترونية المعتمدة على الأطر العضوية المعدنية سوف تجد في نهاية المطاف استخدامًا في مجموعة متنوعة من المجالات – في الرعاية الصحية، وتشخيص الأمراض، ومراقبة جودة الهواء والسلامة الصناعية، وفي الزراعة الذكية، وكذلك في أنظمة الاستشعار الكيميائية للسيارات ذاتية القيادة والروبوتات.