Per
saperne di più Come
è fatto e come funziona. Grande quanto una macchinetta del caffè, alto 15
cm circa, tondo nel primo modello e cubico nell'ultima ideazione uscita da pochi
mesi, il naso artificiale dell'università di Roma Tor Vergata non assomiglia per
nulla ai comuni "nasi naturali". Ma, creato proprio a partire dal funzionamento
degli organi olfattivi biologici, contiene gli elementi più importanti di questi,
anche se realizzati artificialmente e quindi con un certo grado di approssimazione
rispetto alla Natura. "Il principio su cui si basa lo strumento è molto semplice
- spiega il professor Di Natale - Dal punto di vista chimico un odore non è altro
che una serie di molecole disperse nell'aria, basta quindi costruire recettori
in grado di attirare queste molecole e "decodificarle"".
La parte superiore dell'apparecchio riproduce la cavità nasale, la parte "sensibile"
dunque. All'interno i bulbi olfattivi del naso biologico corrispondono ad alcuni
sensori di quarzo. I sensori, in tutto otto in questo modello, sono ricoperti
da una sostanza chimica (la metalloporfirina) che ha la capacità di attirare,
interagire e inglobare le molecole delle sostanze odorose presenti nell'aria.
Ogni sensore è in grado di "captare" diverse caratteristiche dell'odore per fornirne
il maggior numero possibile di informazioni. La
"rivelazione", cioè la decodificazione dei diversi odori, avviene attraverso la
misura della variazione di massa delle molecole assorbite dal quarzo. Semplificando
che cosa accade: sui sensori di quarzo si depositano le molecole odorose grazie
alla metalloporfirina, così i sensori si appesantiscono e cambiano la loro frequenza
(correlata a quanta materia si è depositata). Per questo il naso di Tor Vergata
si chiama "Libra
Nose", proprio perché formato da microbilance di quarzo capaci di oscillare
a 20 MHz e basato sulla variazione di massa. La cavità nasale è stata riprodotta
creando una cameretta a tenuta in cui sono inseriti i quarzi, per garantire un'interazione
uniforme tra ambiente e sensori. Infine come il naso dell'uomo, se è "sporco",
non può sentire bene, così il naso artificiale, per avere una risposta efficace,
necessita, ad ogni misurazione, della pulizia dei sensori.
Nella parte centrale
dello strumento si trova l'elettronica di lettura. Una scheda madre gestisce il
processo di misura e consente, grazie ad una logica digitale, di acquisire le
frequenze da ciascun sensore e di memorizzarle. Possiamo dire che corrisponde
alla corteccia cerebrale che si occupa della decodificazione degli odori.
Nella parte finale dello strumento le microvalvole e le micropompe servono a convogliare
l'aria dall'esterno all'interno, per acquisire il campione e quindi gli odori.
E' il sistema di flussaggio che riproduce l'apparato respiratorio nel suo aspetto
meccanico.
Per
saperne di più. Come sono analizzati i dati. Stretto collaboratore del naso
elettronico è un PC, dotato di un software di gestione in grado di elaborare i
dati raccolti dallo strumento. Ma cosa concretamente fa il naso artificiale? A
spiegarlo è sempre il professor Di Natale: "Un semplice confronto tra l'aria ambiente
non contaminata dall'odore che si vuole misurare e il campione, cioè l'odore stesso
- afferma - La differenza che ne deriva è ciò che in prima approssimazione si
può considerare la risposta del sensore. Con otto sensori, otto saranno i numeri
(tecnicamente il pattern di risposta) che rappresentano l'esperienza olfattiva.
E gli otto numeri sono rappresentati in uno spazio vettoriale apposito, dove ogni
misurazione identificherà un punto diverso nello spazio". Ora il problema diventa
quello di come classificare i punti in questo spazio. E qui si entra in quella
disciplina detta "pattern recognition" dove l'osservazione più semplice che si
può fare è che punti vicini in uno spazio derivano da campioni simili (i cui odori
quindi sono simili) e che punti lontani da campioni differenti. In conclusione
una relazione di differenze e similitudini tra i vari punti cioè odori. Tra le
varie tecniche di "pattern recognition" a Tor Vergata ne vengono utilizzate in
particolare due:
L'analisi delle componenti principali, una semplice tecnica di proiezione, che
dallo spazio multidimensionale individua le direzioni più significative e consente
di proiettarle (come se facessi una foto dall'alto). E' un metodo di proiezione
ortogonale quindi presenta una pecca: si possono generare delle false similitudini
(pensiamo al classico esempio delle costellazioni in cielo, inventate dall'uomo
perché in realtà le stelle che le compongono non si trovano tutte sullo stesso
piano).
La mappa autorganizzante che invece tenta di riprodurre una particolarità biologica
importante, la cosiddetta "mappa sensoriale". Tutta la superficie del nostro corpo
è "mappata" da certo numero di neuroni della corteccia cerebrale in modo univoco
(non ho punti che si mischiano tra di loro). Questa mappa sensoriale ha due caratteristiche
importanti: di prossimità, per cui punti vicini sulla superficie corporea hanno
regioni attigue sulla superficie cerebrale; di adattabilità, cioè tiene conto
di eventuali nuove situazioni. In questo caso l'effetto ortogonale è completamente
assente, qui si ha una relazione uno a uno tra un punto della superficie di una
struttura non lineare (il corpo) e l'organizzazione di neuroni nella corteccia
cerebrale. L'idea è di utilizzare questa mappa come la usa il corpo umano. I sensori
del naso elettronico quando vengono esposti a una miscela di gas, a un odore,
generano una sequenza numerica, che si può rappresentare in uno spazio sensoriale.
Ad ogni punto nello spazio sensoriale corrisponde un punto sulla mappa. E come
avviene nel corpo umano se si dà un pizzico su una mano si attiva un neurone a
livello cerebrale che si interpreta come la regione del corpo che è stata toccata,
anche nel caso del naso elettronico quando si ha un input nuovo nei sensori, immediatamente
si riattiva un neurone sulla mappa. Con questa tecnica si ha la possibilità di
prendere questi otto numeri che vivono in uno spazio multidimensionale e rappresentarli
in un piano, in modo molto più dettagliato rispetto all'altra tecnica.
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(pubblicazione:
maggio 2002)