จมูกเทียมที่ดีกว่าที่ได้รับแรงบันดาลใจจากสุนัขดมกลิ่น

แต่สุนัขมีราคาแพงและใช้เวลานานในการฝึก และสภาพแวดล้อมบางอย่างก็อันตรายเกินไปสำหรับการฝึก เป็นผลให้นักวิจัยได้พัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับสารเคมีหรือจมูกเทียมที่หลากหลาย จนถึงตอนนี้ อุปกรณ์เหล่านี้ใช้งานได้กับสารเคมีบางประเภทหรือบางประเภทเท่านั้น และมักจะถูกรบกวนจากส่วนผสมของสารเคมี ไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยทุนสนับสนุนจาก Office of Naval Research Eric Paterson ผู้ร่วมวิจัยอาวุโสที่ Penn State's Applied Research Lab และรองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล ตัดสินใจกลับไปที่แหล่งที่มา เพื่อศึกษากลศาสตร์ของไหลพื้นฐานและกลิ่น การขนส่งการดมกลิ่นของสุนัขโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้ได้สิ่งเทียบเท่าเชิงกลที่ดีขึ้น เมื่อสุนัขดมกลิ่น Paterson อธิบายว่าอากาศที่เต็มไปด้วยกลิ่นจะผ่านช่องจมูกและผ่านเขาวงกตที่มีความซับซ้อนอย่างประณีต นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาของธรรมชาติในการบรรจุพื้นที่ผิวขนาดใหญ่ในปริมาตรที่น้อย ซึ่งมีความสำคัญต่อการส่งกลิ่นไปยังตัวรับกลิ่นนับล้านตัว ซึ่งเป็นโปรตีนพิเศษที่ฝังอยู่ในเยื่อบุผิวในการรับกลิ่น “กลิ่น” เกิดขึ้นเมื่อโมเลกุลของกลิ่นจับกับตัวรับเหล่านี้และสร้างสัญญาณที่สมองตีความ เพื่อให้เข้าใจกระบวนการมากขึ้น Brent Craven ซึ่งเป็นนักศึกษาปริญญาโทด้านวิศวกรรมเครื่องกลและนิวเคลียร์ และปัจจุบันเป็นผู้ร่วมวิจัยของ ARL ได้สร้างแบบจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณโดยอิงจากสมการของการเคลื่อนที่ของของไหลและการถ่ายภาพด้วยคลื่นสนามแม่เหล็กความละเอียดสูง (MRI) ) ของทางเดินลมหายใจของสุนัขจริงๆ แบบจำลองให้ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญบางอย่าง Paterson รายงาน “การค้นพบที่สำคัญประการหนึ่งคือการอธิบายว่ากลิ่นถูกส่งไปยังบริเวณรับกลิ่นภายในโพรงจมูกได้อย่างไร สุนัขดมกลิ่น การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ของเราแสดงให้เห็นว่าทางเดินเดียวที่เรียกว่ามีธัสหลังมีหน้าที่รับผิดชอบ” ในบริเวณรับกลิ่น การไหลของอากาศเหนือตัวรับที่เคลือบเมือกนั้นราบรื่นอย่างน่าทึ่ง “แม้ว่าจะเป็นจังหวะเนื่องจากการดมกลิ่น” ซึ่งส่งสัญญาณที่สม่ำเสมอไปยังตัวรับ “ทั้งหมดนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการขนส่งกลิ่นไปยังตัวรับ และสร้างรูปแบบการสะสมสารเคมีที่สมองตีความ” Paterson กล่าว ส่วนหนึ่งเป็นผลมาจากงานนี้ Paterson และเพื่อนร่วมงานได้รับเลือกให้เป็นหนึ่งในสามทีมในช่วงฤดูร้อนนี้เพื่อเข้าร่วม RealNose ซึ่งเป็นโครงการหลายสถาบันที่ได้รับการสนับสนุนจากหน่วยงานโครงการวิจัยขั้นสูงของกลาโหม (DARPA) ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างจมูกเชิงกลที่ จำลองระบบการดมกลิ่นของสุนัขทั้งหมดอย่างใกล้ชิด นอกจาก Paterson และ Craven แล้ว ทีมงานของ Penn State ยังรวมถึง Gary Settles ผู้อำนวยการของ Gas Dynamics Lab และศาสตราจารย์พิเศษด้านวิศวกรรมเครื่องกล ตลอดจนนักวิจัยจาก Tufts University, University of Pennsylvania, Temple University, University of Illinois และ มหาวิทยาลัยไมอามี ทีมงานซึ่งนำโดย Evolved Machines, Inc. จาก Palo Alto, California รวมถึงพันธมิตรในอุตสาหกรรมจาก CogniScent, Inc. จาก North Grafton, Massachusetts; iSense, Inc. แห่ง Champaign รัฐอิลลินอยส์ คำสั่งของ DARPA สรุปองค์ประกอบสี่ประการในระยะแรก ประการแรก Paterson กล่าวว่าทีมงานจะต้องพัฒนาระบบดูดกลิ่นที่รวมเอางานการสร้างแบบจำลองการไหลของอากาศและการขนส่งกลิ่นก่อนหน้านี้ ต่อไป ทีมจะพัฒนาระบบตรวจจับกลิ่นที่รวมเอาตัวรับกลิ่นของสุนัขที่ออกแบบจากเซลล์จริง Paterson คาดหวังว่านี่จะเป็นส่วนที่ท้าทายที่สุดของโครงการ "จำเป็นต้องทำงานเพื่อระบุตัวรับที่ตอบสนองต่อสารเคมีแต่ละชนิด" เขาอธิบาย "จากนั้นตัวรับเหล่านี้จะต้องแสดงเป็นจำนวนที่เพียงพอเพื่อใช้ในเซ็นเซอร์จริง" ทีมงานกำลังสำรวจแนวทางต่างๆ ซึ่งหนึ่งในนั้นเกี่ยวข้องกับการฝากตัวรับไว้บนวัสดุนาโนคาร์บอนที่สามารถแปลงกลิ่นเป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ได้ ระบบจดจำรูปแบบจะช่วยให้เครื่องสามารถระบุกลิ่นเฉพาะในส่วนผสมที่ซับซ้อนได้ ดังที่ Paterson อธิบาย โครงการ RealNose เป็นโครงการ “DARPA-hard” ทั่วไป: มีความเสี่ยงสูง ผลตอบแทนสูง อย่างไรก็ตาม หากเทคโนโลยีที่วางจำหน่ายในตลาดมีวิวัฒนาการมาจากการวิจัย เทคโนโลยีดังกล่าวอาจถูกปรับแต่งให้ใช้ในการดมยาสลบ วัตถุระเบิด อาวุธเคมีและชีวภาพ และแม้แต่มะเร็งบางชนิด “เป็นเรื่องสนุกที่ได้พบโปรเจ็กต์ที่ใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกัน” เขากล่าว และคราเวนเห็นด้วย “นี่คืออาณาจักรแห่งการค้นพบและปัญหาที่ยังไม่ได้แก้ไข นอกจากนี้ยังมีการใช้งานจริงที่อาจส่งผลดีต่อชีวิตของเราทุกคน”