Електронний ніс визначив зрілість персиків на дереві
Бразильські вчені розробили електронний ніс, який за допомогою нейромережі може визначати ступінь стиглості персика, що знаходиться на дереві, по концентрації летючих органічних речовин в навколишньому повітрі. Точність алгоритму склала 98 відсотків. Автори пропонують використовувати електронний ніс для контролю росту персиків і автоматичного збирання врожаю.
Стаття опублікована в журналі IEEE Sensors Journal.
Стиглість фруктів часто визначається за допомогою летючих органічних речовин, які і відповідальні за смак, аромат і колір фрукта. Визначення зрілості фруктів в більшості своїй засноване на суб'єктивному досвіді виробника, що може привести до неоптимального часу збору врожаю.
Однак за останні десятиліття при зборі і зберіганні фруктів і овочів почали застосовувати електронний ніс — пристрій для оцінки стиглості.
Електронний ніс - це масив хімічних сенсорів, що складаються з оксидів металів (наприклад, оксид олова). Як і людський ніс, електронний ніс не визначає окрему речовину в кожному зразку, проте суміш запахів летючих органічних речовин у кожного продукту своя (дуже складно знайти дві сполуки з однаковим запахом). Розвиток технологій сенсорів значно підвищив точність електронних носів, а вчені почали застосовувати їх у багатьох областях харчової індустрії: визначення етанолу в пиві, нікотину в тютюні і якості улуна. Часто електронні носи використовуються для моніторингу вмісту шкідливих речовин в повітрі.
Бразильські вчені під керівництвом Серхіо Луїса Стевана-молодшого (Sergio Luiz Stevan Jr) з Державного університету Понта Гросса представили прототип електронного носа для польового моніторингу зростання персиків.
На малюнку "Схема електронного носа".
Інженери зібрали електронний ніс з 13 дешевих металоксидних газових сенсорів. Сенсори реагують на летючі органічні речовини завдяки хімічній реакції окислення органічних молекул відновників при відповідній напрузі. При реакції зменшується кількість носіїв заряду в сенсорі через, що падає електричний опір, по зміні якого пристрій і судить про наявність тієї чи іншої речовини в атмосфері. Також вчені додали датчик температури, атмосферного тиску і відносної вологості, щоб краще контролювати умови. Щоб ефективно підводити летючі з'єднання до поверхні сенсорів, вчені використовували вентилятор. Від сенсорів дані надходили в мікроконтролер, в якому відбувалася оцифровка інформації і подальша передача або запис на SD-карту.
Автори статті провели моніторинг дозрівання персиків з кінця серпня по грудень 2018 року. Основні летючі речовини в різні стадії розрізнялися: 0-35 день дозрівання-спирти, 36-50 день — ефіри, кетони і альдегіди, 51-70 день — терпеноїди, 71-100 день — Лактони. Щоб підтвердити точність роботи електронного носа, вчені проводили лабораторні експерименти протягом тижня зі спиртовмісними зразками з відомою концентрацією речовин.
Зовнішній вигляд експериментів в різні стадії стиглості персиків: 1-приклади персиків, 2-персикові дерева, 3-електронний ніс
На основі інформації, отриманої з 15 дерев за 12 періодів витримки, автори статті навчили кілька нейромереж, використавши 70 відсотків даних в якості тренувального набору, а решта в якості тестового. За допомогою методу головних компонент і лінійного дискримінантного аналізу вчені отримали передоброблені усереднені дані по стадіях дозрівання. Для класифікації даних дослідники вибрали нейромережі з алгоритмами: випадковий ліс (RF), нейронну мережу з екстремальним навчанням (ELM), метод k-найближчих сусідів (KNN), метод опорних векторів (SVM). Максимальна тестова точність в 98 відсотків вийшла у двох нейронних мереж з лінійною дискримінантною передобробкою даних з алгоритмом випадкового лісу і з передобробкою даних методом головних компонент з алгоритмом опорних векторів.
Дослідники кажуть, що їх "електронний ніс" має кілька переваг у порівнянні з існуючими методами визначення зрілості. Він проводить аналіз в реальному часі у відкритому середовищі і не вимагає безпосереднього поводження з фруктами.
Новий електронний ніс здатний відстежувати стиглість персиків протягом усього часу дозрівання, а не тільки після збору врожаю.
Електронний ніс може допомагати в умовах, коли власний ніс людини може підвести.
Також читайте: