Pequeña nariz electrónica rivaliza con la detección de olores de los animales

Imagínese un robot que pueda detectar olores en el aire y rastrear su origen con la misma eficacia que un perro o un ratón.

Si se hiciera realidad, podría detectar pequeños incendios forestales en bosques densos, encontrar personas enterradas bajo escombros después de un terremoto o incluso cazar trufas.

Un equipo de investigación ha acercado esta visión un paso más a la realidad, al crear una nariz electrónica compacta capaz de identificar olores en milisegundos.

En el estudio, el objetivo era explorar este sentido artificial del olfato y probar la rapidez con la que podemos extraer información valiosa sobre el medio ambiente del aire.

Se demostró que la “velocidad del olfato” iguala y, a veces, incluso supera a la de los mamíferos.

Los animales perciben los olores con una rapidez increíble, y esta capacidad ha evolucionado a lo largo de millones de años para optimizar sus posibilidades de supervivencia. Pero, ¿por qué es necesaria esa velocidad?

La respuesta está en la naturaleza compleja de cómo se mueven los olores a través del aire.

A diferencia de lo que se podría pensar, los olores no se debilitan de forma constante a medida que nos alejamos de su fuente hasta el lugar donde se detectan.

En cambio, los movimientos del aire crean un entorno altamente caótico donde los olores viajan en columnas irregulares que pueden ser extremadamente breves y espaciadas en el tiempo.

Estas columnas están formadas por una combinación de dinámicas de aire turbulento de pequeña y gran escala, que incluyen cizalladura del viento y difusión molecular, así como por condiciones ambientales límite.

Comprender estas columnas de olor es crucial para los animales. Cada breve encuentro con un olor puede aportar información valiosa.

Por ejemplo, al analizar el momento y la frecuencia de estas explosiones de olor, un animal puede estimar a qué distancia se encuentra de la fuente.

Si el animal nota que dos olores diferentes siempre ocurren juntos, podría significar que sus fuentes están muy cerca una de la otra.

Las variaciones en la concentración de estas explosiones también pueden indicar el tamaño y la extensión de la columna de olor.

Estas pistas sutiles ayudan a los animales a tomar decisiones más rápidas sobre dónde encontrar comida, evitar depredadores o localizar parejas.

Pero para desbloquear esta información, sus sistemas sensoriales y nerviosos deben ser lo suficientemente rápidos como para captar y procesar estos rápidos cambios en el panorama de olores.

La velocidad a la que los animales pueden detectar y reaccionar a los olores varía según la especie.

Insectos como los saltamontes y las moscas de la fruta procesan las señales de los olores en apenas unos milisegundos, lo que les ayuda a moverse y reaccionar a sus entornos con facilidad.

Los mosquitos pueden detectar pequeñas ráfagas de dióxido de carbono de tan solo 30 milisegundos, por lo que te encuentran tan fácilmente por la noche.

Se pensaba que los mamíferos tenían una detección de olores más lenta, pero estudios recientes han demostrado lo contrario.

Un estudio histórico en 2021 reveló que los ratones podían distinguir olores de fuentes mixtas y separadas en apenas milisegundos.

Un artículo publicado el mes pasado descubrió que incluso los humanos pueden distinguir entre diferentes olores emitidos con solo 60 milisegundos de diferencia.

Si bien existen sensores de olores rápidos (dispositivos como los detectores de fotoionización), son demasiado voluminosos, consumen mucha energía y, a menudo, no son lo suficientemente selectivos como para ser utilizados en robots.

El dispositivo que se ha desarrollado ahora cierra esta brecha.

Puede identificar olores con precisión en ráfagas de tan solo 50 milisegundos.

Más aún, puede decodificar patrones entre olores cambiando hasta 40 veces por segundo, lo que es similar a lo que pueden hacer los ratones cuando realizan tareas de separación de fuentes.

Esto significa que el dispositivo puede “oler” a velocidades que coinciden con las de los animales.

La nariz electrónica está construida sobre una placa de circuito multicapa un poco más pequeña que una tarjeta de crédito.

Está equipada con múltiples sensores de gas de óxido de metal, así como sensores de temperatura y humedad.

Lo que lo diferencia de otros es el uso de electrónica de alta gama que puede muestrear y controlar estos sensores de manera extremadamente rápida y precisa, así como algoritmos y métodos de procesamiento diseñados a medida.

Los sensores funcionan modificando sus propiedades eléctricas en función de cómo reaccionan los diferentes gases con una capa de óxido en la superficie.

Una parte crucial de hacer que los sensores sean tan sensibles es calentar los diminutos sitios de detección a varios cientos de grados.

En aire turbulento, la temperatura del sensor tiende a fluctuar, lo que dificulta la detección e identificación de olores.

Al medir y reajustar constantemente la temperatura con un alto nivel de precisión, se logra una respuesta del sensor altamente sensible que podía detectar incluso cambios leves y rápidos en los olores.

También se descubrió que cambiar rápidamente la temperatura entre 150 °C y 400 °C unas 20 veces por segundo producía patrones de datos rápidos y distintivos que facilitaban la identificación de olores específicos.

Este enfoque permitió que el dispositivo detectara olores con una velocidad y una precisión notables.

Equipar a los robots con sensores de olores rápidos les permitirá detectar y reaccionar a las señales ambientales en tiempo real.

Esto permitirá una navegación y una toma de decisiones más eficientes en escenarios desafiantes, lo que abre las puertas a muchas aplicaciones prometedoras.

Por ejemplo, la detección temprana de incendios forestales podría ahorrar gigatoneladas de emisiones de dióxido de carbono.

Los métodos de detección convencionales, como los satélites y los aviones, solo detectan los incendios cuando alcanzan un tamaño significativo.

Los incendios que se producen debajo del dosel forestal o detrás de las nubes pueden pasarse por alto por completo.

Los drones equipados con narices electrónicas rápidas podrían cambiar eso al patrullar los bosques, identificar pequeñas columnas de humo y luego navegar hacia la fuente y localizarla.

Con esto, se podrían cubrir grandes áreas de manera eficiente y detectar los incendios antes de que se salgan de control.

Otra aplicación crítica puede encontrarse en la respuesta a desastres.

Después de terremotos o derrumbes de edificios, es crucial encontrar sobrevivientes rápidamente.

Los robots olfativos equipados con narices electrónicas rápidas podrían desempeñar un papel salvavidas al detectar las firmas de olor únicas de los humanos atrapados bajo los escombros.

Al escanear rápidamente entornos complejos e identificar rastros de olor humano, estos robots podrían guiar a los equipos de rescate hasta las víctimas más rápido que los métodos tradicionales, aumentando las posibilidades de supervivencia.

¿Y las trufas? Tal vez algún día el robot pueda darle competencia a los cerdos cazadores de trufas, demostrando que incluso la tecnología tiene olfato para la buena mesa.

Fuente: Science Advances