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Olfato electrónico       

Estudio del sentido del olfato. La Nariz

La Nariz Electrónica

Imitando la nariz humana.

Constitución de la Nariz Electrónica

La Lengua Electrónica

 

2. SENTIDOS HUMANOS, SENSORES Y ELECTRÓNICA.

 

La evolución de los sistemas electrónicos ha permitido importantes avances en el desarrollo e imitación de los sentidos humanos, hasta ahora muy logrados en el caso auditivo y en la visión, el desafío para los tecnólogos en el momento presente es conseguir réplicas fiables del gusto y del olfato, los objetivos hasta el momento presente están en conseguir sistemas que permitan asegurar la calidad de alimentos, dosificación de fármacos, control ambiental y mejora de los sistemas de seguridad de índole militar.

 

 Antes de existir los sensores, la electrónica era comparable a un "ser" ciego, sin olfato, oído, gusto ni tacto, incapaz de percibir la temperatura, la velocidad, la humedad o cualquier otro estímulo externo. Su capacidad se limitaba a actuar dando respuestas tras ser activado, ignorante de lo que sucedía a su alrededor.

 

La aparición de los sensores y su progresiva expansión permitió poner en contacto a los aparatos electrónicos con el mundo exterior, dotando de "sentidos" a la tecnología. Con ellos, las máquinas comenzaban a recibir del medio las entradas o inputs de información que, una vez procesada, permite generar la respuesta más adecuada en un momento concreto, ya sea abriendo una puerta, haciendo saltar una alarma, alertando de un movimiento sísmico o poniendo en funcionamiento un aspersor de agua en un invernadero, entre otros muchos ejemplos. Todo ello sin necesidad de ser activadas por la mano del hombre.

 

Pero, como era de esperar, la tecnología ha llegado aún más lejos que nuestro sistema sensorial. Los sensores se han convertido en "sentidos ultraperfeccionados" que llegan a lugares a los que nosotros no tenemos acceso, captan imágenes y movimientos con una resolución inimaginable para el ojo humano, y detectan estímulos que nosotros no percibimos, como las ondas electromagnéticas o los ultrasonidos. La información que aportan ha cobrado un valor extraordinario en todos los ámbitos de la actividad humana, desde la Alimentación y la Medicina hasta la Seguridad Nuclear o la búsqueda de vida en otros planetas.

 

Cuando los estímulos captados son las vibraciones sonoras, los sensores se convierten en eficaces "oídos" mecánicos en cualquier medio. En el terreno de la visión, los sensores han permitido crear "ojos electrónicos" de gran precisión. La llamada "Percepción Remota" utiliza sensores para obtener información sobre objetos o fenómenos que ocurren a gran distancia, sin que exista contacto directo.

 

Más recientes y menos conocidos son los sensores 'olfativos' que conforman las e-noses o "narices electrónicas", (NE). Su mecanismo se basa en captar los compuestos químicos que se desprenden en ciertos aromas, volatilizados en el aire. Compañías alimentarías como Nestle ya planean desarrollar instrumentos para el control de calidad, que la empresa chocolatera utilizará para comprobar la calidad de los materiales utilizados en el empaquetado de las barras de chocolate, evitando que afecten a su sabor final. En el sector clínico, la empresa Osmetech, especializada en el diagnóstico de enfermedades, ha diseñado un aparato capaz de oler seis tipos distintos de bacterias causantes de enfermedades urinarias, con uso extensible a otras patologías. Por su parte, la industria minera y otras en contacto con gases tóxicos empiezan a ver salir al mercado los primeros productos para la detección inmediata de todo tipo de escapes peligrosos.

 

2.1. Olfato electrónico

 

Desde hace algunos años distintos grupos de investigación en el mundo están desarrollando dispositivos que se inspiran en el sistema olfativo de los mamíferos superiores. Así como la nariz humana cumple su función mediante millones de células receptoras, el olfato artificial se vale de un conjunto de sensores, de diferentes materiales.

 

Construir un sistema de control capaz de monitorizar sustancias olorosas es una de las aplicaciones de las más difíciles de realizar, no sólo por el procesado de la información, sino por la naturaleza de los propios sensores que se necesitan.

Este tipo de aplicaciones están incluidas en los denominados sistemas de control automáticos, es decir sistemas que suponen la supresión total o parcial de la intervención humana en la ejecución de tareas agrícolas, industriales, domésticas, administrativas o científicas. La Real Academia de Ciencias Exactas Físicas y Naturales define la “automática” como: “el estudio de los métodos y procedimientos cuya finalidad es la sustitución del operador humano por un operador artificial en la generación de una tarea física o mental previamente programada”.

Los componentes fundamentales de los Sistemas de Control pueden verse en  la figura  se ha representado un diagrama de bloques simplificado de un sistema de control en bucle cerrado. En él  aparecen los tres elementos básicos de este tipo de control: los captadores (sensores o transductores) que miden como se  desarrolla el proceso, los

 

actuadores que nos permiten intervenir sobre él y la unidad de control que, a partir de la información proveniente de los sensores y de su comparación con la consigna, genera las órdenes necesarias para los actuadores. Se denomina consigna (punto de referencia) a las condiciones de referencia en las que esperamos que se desarrolle el proceso o dicho de otra forma, representa el comportamiento deseado para el mismo. Con la consigna se establece los posibles márgenes de variación de determinadas magnitudes que serán comparadas con otras de la misma naturaleza medidas en el proceso y que lo caracterizan.

Un sistema  como la nariz humana y su sentido del olfato dispone de un mecanismo semejante.

 

2.2. Estudio del sentido del olfato. La nariz.

Un sistema artificial que imite la nariz tendría por tanto esta estructura. Existen dos elementos importantes, el medio físico o hardware y el tratamiento posterior de la información o parte cognitiva, el estudio de este último aspecto corresponde a los sistemas de información, por lo que no se estudiará aquí. Por otro lado la parte principal de entrada al sistema debe proceder del mundo exterior y debe  convertirse en señales  capaces de contener la información ha procesar. La utilización  actualmente de sistemas digitales electrónicos para el tratamiento de la información, hace necesario convertir la señal de entrada en una señal eléctrica objeto de un procesamiento posterior para poder ser tratada como datos.

El elemento más importante para la recepción  de señales lo constituye el “captador” o sensor de entrada que  convierte las señales olfativas en señales eléctricas. Las principales  características del olor pueden determinarse principalmente por la composición química de las sustancias y su difusión  en el aire. Si bien lo más importante es el estudio del “aroma”, también son importantes consideraciones tales como temperatura, presión, ph, humedad, etc.

Antes de estudiar  las características de este tipo de sensores, que  constituyen una  matriz de entrada a un sistema cognitivo que permite discriminar y detectar compuestos y parámetros de  sustancias olorosas, se expone un estudio del sentido del olfato y de la Nariz Electrónica (NE).

2.3. La nariz electrónica

La tecnología de narices electrónicas todavía es incipiente, las matrices de sensores unidas a las técnicas de reconocimiento de patrones junto con la inteligencia artificial permiten avanzar en la mejora de esas narices. Las así llamadas narices artificiales que detectan e identifican olores y vapores suponen costes en EE.UU. de 20.000 hasta 100.000 dólares en Europa y básicamente se usan en laboratorio.

Los primeros trabajos en el desarrollo de esta instrumentación data de los trabajos de Montcrief de 1964, que fue una nariz mecánica, las primeras narices electrónicas, son de Wilkens y Hatman en 1964 (reacciones redox de olorantes-electrodo). Realmente los avances arrancan cuando los investigadores ingleses de la Universidad de Warwick desarrollan matrices para detectar  olores, primero con narices de óxidos metálicos y después de polímeros. La manifestación más importante se produce en 1989 en el meeting de la OTAN relativo a olfato artificial. En 1990 tiene lugar una Conferencia en Islandia propiciada por OTAN que motiva una aceleración en el desarrollo de  las llamadas narices electrónicas (NE).

Es importante definir qué es lo que conocemos como una NE: “Un instrumento que contiene una matriz de sensores químicos de parcial especificidad y un apropiado sistema de identificación de patrones capaz de identificar olores simples o compuestos”.

 

 

2.4. Imitando la nariz humana

En los seres humanos el “hardware” del olfato reside en, aproximadamente, diez millones de células sensoriales, cada una de las cuales está equipada con alrededor de mil tipos diferentes de receptores químicos. Para conseguir imitar el sentido humano, se han identificado una serie de etapas que caracterizan el olfato humano, que comienza con la aspiración que toma muestras de aire que contienen moléculas portadoras  de olor las cuales atraviesan las estructuras óseas curvadas llamadas turbinas que crean flujos gaseosos turbulentos que transportan las mezclas de volátiles hacia las membranas de mucosas olfatorias que recubren el área olfativa (epitelio), situado debajo del bulbo olfativo.

Primero hay una capa delgada en la cual están colocados unos pelos –cilios de las células olfativas. Los receptores G que enlazan las proteínas, están situados en la superficie de los cilios y actúan como receptores quimiosensores. Se supone que hay un número reducido de proteínas detectoras (unas 100), de forma que los receptores tienen sensibilidades  superpuestas.

Existen aproximadamente 100 millones de células olfativas (50 millones en la nariz) que se supone que amplifican la señal y generan mensajes secundarios, que a su vez controlan los canales de iones generando señales que circulan por los axones desde los nervios olfativos hasta los aproximadamente 5000 glomérulos del bulbo olfativo.

Estas señales se procesan después por las 100.000 células mitrales y más tarde se envían por la capa de células granulares al cerebro. A lo largo de estos últimos años se ha ido conociendo mejor estos mecanismos, aunque todavía quedan detalles por comprender , así la calidad del sistema humano es considerable, se supone que los umbrales están por los ppm (parte por millón ) con una vida media de unos 22 días, a partir del cual se saturan.

El subsiguiente procesado neural intensifica la sensibilidad en al menos tres órdenes de magnitud, corrige derivas y permite la discriminación de hasta al menos varios cientos de olores.

Las moléculas olorosas, son hidrofóbicas y polares con masas de 300Da. Así, un olor simple es una molécula.

De hecho los olores naturales son mezclas de especies químicas que tienen miles de constituyentes, a veces mínimas diferencias de contenidos suponen olores típicos de un producto.

Los seres humanos pueden percibir un amplio espectro de olores, por ejemplo un bebé de pocos días puede reconocer a su madre por el olor, así como el perro puede reconocer el olor de su amo.

La nariz humana es el instrumento por excelencia del olfato o aroma de los productos (perfumes, cosméticos, jabones, etc.) alimentos carnes pescados, quesos, bebidas (vinos, licores, cervezas). Su cuantificación supone un proceso costoso, puesto que los paneles de expertos (catadores) requiere que trabajen en tiempos cortos.

Hay sustancias, o compuestos como el monóxido de carbono, que la nariz humana no detecta, y sí lo puede hacer una electrónica. Por otro lado, hay matices que un catador de vinos entrenado puede distinguir, y los dispositivos electrónicos todavía no han logrado diferenciar.

 

Actualmente existen sensores que detectan, por ejemplo, una pérdida de gas. Se trata de un material que reacciona frente a determinado compuesto. Sin embargo, para conocer el estado de descomposición de un pescado, o la diferencia sutil entre un vino y otro, son necesarios varios sensores que respondan de manera diferente a la concentración en el aire de diversos compuestos químicos volátiles.

La clave de una nariz electrónica es la presencia de varios sensores, de diferentes materiales, que reaccionan de manera distinta frente a las moléculas emitidas por el producto que queremos detectar. Cada sensor, de un material orgánico o inorgánico (un óxido, un polímero conductor o un material semiconductor) cambia alguna de sus propiedades físicas cuando las moléculas de un gas se depositan sobre él. Hay un intercambio de electrones entre el sensor y el gas, lo que produce, por ejemplo, una modificación en la conductividad eléctrica, la cual es registrada por un equipo electrónico como una señal de determinadas características. El ejemplo mostrado en la figura corresponde a un  esquema de  “cribador” de moléculas por un sistema de película delgada con cristal de cuarzo. Las señales producidas por los distintos sensores son analizadas por un procesador de datos. Asimismo, la computadora posee una memoria donde se encuentra registrada la respuesta de los distintos sensores a una gama determinada de compuestos químicos.

La nariz electrónica tal vez se halle todavía lejos de imitar el olfato de un perro o de alcanzar la sensibilidad de un experimentado catador de vinos. No obstante, los nuevos dispositivos se convertirán en herramientas indispensables para controlar, con precisión y más allá de las subjetividades humanas, la calidad de bebidas, alimentos y otros productos, como los perfumes.

 

 

2.5. Constitución o estructura de la Nariz Electrónica.

La nariz electrónica consta básicamente de tres módulos: el sistema de recogida de muestras, el sistema de detección y el tratamiento estadístico de los datos.

• Recogida de muestras: Es similar a otras técnicas cromatográficas, pero los compuestos no se separan antes de llegar al detector mediante una columna cromatográfica, sino que son detectados conjuntamente.

Figura 1 / J. Torrens: Análisis de aroma en el control de calidad de vinos 

 • Sistema de detección: El más adecuado será capaz de detectar la gama más amplia de familias químicas. Se utilizan dos: los sensores de gases y la espectrometría de masas. Los primeros se basan en la facultad de modificar sus propiedades eléctricas cuando los compuestos del aroma interaccionan en su superficie. Presentan buena selectividad y sensibilidad: tienen respuesta distinta frente a diferentes compuestos y pueden detectar diferencias del orden de mcg/L; pueden ser óxidos metálicos, polímeros conductores o sistemas de radiofrecuencia. Los principales problemas son la inestabilidad frente a pequeñas variaciones de temperatura y humedad del gas portador, y el envenenamiento cuando hay presencia de algún componente mayoritario, como el etanol en el caso del vino. Los espectrómetros de masas obtienen el espectro correspondiente a los fragmentos de todo el conjunto de compuestos volátiles de la muestra.

La detección es más selectiva que en los sensores de gases y evita las interferencias debidas al agua y al etanol. Los inconvenientes respecto a los sensores químicos son una menor sensibilidad y una menor robustez, hecho que convierte en frecuentes las recalibraciones.

• Tratamiento de datos: El método de análisis de datos más utilizado se basa en la variancia estadística de los datos y determina los factores de discriminación de las muestras, pero no clasifica las muestras en grupos. Dentro de los métodos de clasificación, los más utilizados son el modelado suave independiente de las analogías de clase o SIMCA (de soft independent modelling of class analogy), que nos indica si la muestra analizada corresponde o no a un grupo de muestras de referencia, y el análisis factorial discriminativo o DFA (de discriminant factorial analysis), que indica a qué grupo corresponde la muestra.  También se utilizan las técnicas basadas en Redes Neuronales Artificiales ( con métodos PARC o entrenamientos supervisados, estos últimos soportan datos no lineales, así como derivas o ruido hasta del 10%, y reducen el error de las previsiones quimiométricas, además de esta atracción, estos sistemas se asemejan a los naturales). Otros métodos son los de Lógica Difusa.

Figura 2 / J. Torrens: Análisis de aroma en el control de calidad de vinos

 Principio de acción de la nariz electrónica frente a la nariz orgánica

2.6. La lengua electrónica.

nariz.jpg (10834 bytes)El sentido  del olfato esta ligado al sentido del paladar o sentido del gusto. La utilización conjunta de lengua y nariz electrónica mejora la calidad de la clasificación de olores y aromas. Las técnicas utilizadas para el gusto son la voltometría de pulsos, que mide transitorios de corriente, cuando se aplican pulsos de tensión mediante electrodos y que dependen del tipo de moléculas cargadas y de las especies redox   activas.

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