Неудачная попытка десакрализировать самое зимнее из чудес

Зима уже успела мягонько пощекатать носы редакции Института научной сказки и новогоднего чуда, и мы задались вопросом — а можно ли понюхать морозную свежесть приборами и определить, из чего состоит её запах. Чтобы узнать это наверняка, мы побеседовали с Фёдором Фёдоровым — руководителем команды разработки электронного носа.

Старший преподаватель лаборатории Наноматериалов Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха
А если менее формально, то разработчик электронного носа

Семнадцать

Перед встречей с учёным в зуме научный журналист Никита Лавренов спешно допивает ароматный фильтр-кофе, ещё не подозревая, сколько и какие вещества определяют его запах. Через несколько минут он увидит на своём экране фотографии экспериментальной установки, которая нюхает самые разные ароматы и вещества.

Бесконечность

На грани с волшебством

Наш электронный нос — постоянный участник разнообразных технологических выставок. Специально для них лаборатория Фёдора Фёдорова распечатала на 3D-принтере пластиковый нос (очень похожий на нос Давида!). Выглядит это как настоящий электронный… нос. После одной из выставок этот макет был подарен сотруднице департамента коммуникаций. В нашем департаменте электронный нос нашел лишь эстетическое применение, хотя вариантов его использования — бесконечное множество. Если бы этот нос, как гоголевский, мог бы рассказать о своих ольфакторных  приключениях, на свете было бы одним сборником удивительных рассказов больше. Мы уже обсудили, что сейчас он подрабатывает дегустатором кофе. Ещё он становился экспертом по нефти и определял происхождение её образцов по лёгкой летучей фракции. Когда-то он следил за свежестью мяса, угадывая момент порчи раньше, чем об этом узнавал микробиолог. А ещё — развлекал публику, различая первичный пластик от вторичного и без труда находя «оф-ноуты», на которые человеческой дегустационной комиссии потребовались бы часы. Один и тот же прибор — десятки профессий: от сомелье до экологического инспектора.

Но даже если для нас мороз — это нулевая точка запаха, для электронного носа тишина никогда не бывает полной. Прибор способен регистрировать даже те газы, которые человеческий нос не замечает вовсе. И иногда — те, которые не пахнут даже для него самого.

Электронный нос приближает нас к будущему, в котором роботы смогут почувствовать даже отсутствие запаха. Но только человек может назвать это свежестью.

Восемь

17 органических соединений, преимущественно альдегидов. Теперь научный журналист знает, чем пахнет его утро и начало дня той половины человечества, что просыпается с кофе. Для нас это единый запах кофе, в котором наиболее искушенные могут разделить отдельные ноты. На самом деле электронный нос, размеры которого сравнимы с нашим, ощущает запах целиком — как и мы. Чтоб разложить запах на составляющие, учёные пользуются громоздкими газоанализаторами. Нос же — компактный. Причем, это не одна блестящая металлическая “пипетка”, как мы привыкли представлять приборы в лабораториях, а целая маленькая компания из нескольких сенсоров. Вместо обонятельных рецепторов — тончайшие плёнки оксидов металлов. Их на чипе обычно восемь: это оксиды марганца, цинка, кобальта, олова и других элементов из середины таблицы Менделеева, которые реагируют на летучие соединения. При каждом вдохе — вернее, каждом пропуске газовой смеси — эти оксидные плёнки меняют своё электрическое сопротивление. У одних плёнок оно падает, у других — растёт, у третьих — едва шевелится. Совокупность этих колебаний превращается в «цифровой отпечаток запаха» — многомерный вектор, в котором каждый сенсор отвечает за свою ноту. Затем вступает математическая часть системы: алгоритмы сжимают этот многоголосый сигнал до пары-тройки осей, выделяют закономерности и учатся различать образы. В наших пресс-релизах это описано сухо — PCA, LDA, Random Forest... В реальности же всё намного красивее: электронный нос смотрит на запах как на знакомый силуэт. Он не пытается найти в воздухе конкретную молекулу пара-метил фенокси-ацетальдегида — он узнаёт то, что уже видел сотни раз: свежий пластик, испорченное мясо, лёгкие фракции нефти. Причем он делает это не методом нюхания вслепую, как человек, а с помощью методов машинного обучения. И чем больше запахов было ему представлено для обучения, тем тоньше он их сможет потом различать.

Стремление к нулю

К новогодним атрибутам электронный нос пока не прикладывали, но это не значит, что науке не известны их запахи. Да и мы уверены, что наш нос бы не растерялся. Если бы мы обучили его на огромной выборке запахов хвойных, а потом приложили бы его к ёлке, то её бы нос без проблем определил по β-пинену. Пихты, которые часто продают в супермаркетах как новогодние деревья, он отличил бы по смеси α-пинена и камфена, а сосны (их не продают в предновогоднюю пору, но они тоже пахнут хвоей) — по смеси α-пинена и 3-карена. Где человеку кажется “просто хвойный запах”, нос увидел бы тонкие расхождения в соотношениях терпенов, мануола, борнилацетата и десятков других соединений. С мандаринами было бы ещё проще. Лимонен дал бы уверенный пик, γ-терпинен подбавил бы аромата мягкой зелени, а метилантранилат — тот самый, почти конфетный, мандариновый оттенок, который мы переносим из детства во взрослую жизнь. Электронный нос разложил бы всё это на аккуратные векторы — и в двух измерениях PCA особый мандариновый “кластер” мгновенно бы проявился. Даже с оливье нос бы справился. Более того, отличить вчерашнее оливье от сегодняшнего он бы, скорее всего, смог лучше нас. Но стоило нам перейти к главному новогоднему вопросу — тому самому, из заголовка статьи, — как внезапно произошло то, чего меньше всего ждёшь от разработчика электронного носа. На вопрос “А чем пахнет морозная свежесть?” учёный ответил...

И удивительным образом его ответ оказался очень точным. Потому что морозная свежесть — это не запах, а скорее его отсутствие. В холодном воздухе почти нет летучих молекул: при минусовой температуре испарение замедляется так сильно, что воздух становится почти пустым, очищенным от фоновых ароматов земли, растений, бактерий и городских примесей. Снег дополнительно “выметает” запахи из атмосферы, как мягкая адсорбирующая губка, а нос воспринимает холод не как аромат, а как раздражение тройничного нерва — тот самый физиологический холодок, который мы по привычке принимаем за запах чистоты.