ابتكار أنف اصطناعي قد يتمكن من اكتشاف الأمراض!

لقد أدرك العلماء منذ زمن طويل أهمية الرائحة في مكافحة الأمراض، مثل الطاعون إلى السل. ولكن الأنف البشري ليس حساسًا بدرجة كافية ليتم الاعتماد عليه كأداة تشخيصية موثوقة. ومع ذلك، فإن الأنف الاصطناعي الجديد المستوحى من حاسة الشم لدينا قد يكشف الامراض غير المشخصة، والغازات الخطرة، والأطعمة التي بدأت تفسد.

إن الأنف الاصطناعي الجديد يميز بين الغازات المختلفة التي تم اختباره عليه بدقة تصل إلى 96.7%. وهذه النتيجة لا تضاهي أداء أفضل الأنوف الإلكترونية حتى الآن فحسب، بل إنها تتفوق عليها في بعض المجالات.

الروائح والأمراض

لعبت الرائحة دورًا حاسمًا في الطب عبر التاريخ. حيث استخدم الأطباء منذ زمن أبقراط الرائحة لتشخيص الأمراض. في القرن التاسع عشر، استخدم الأطباء في أوروبا الرائحة للتعرف على المرضى المصابين بالطاعون. حتى في العصر الحديث، استخدم الأطباء الرائحة للكشف عن حالات مثل مرض السكري، حيث يمكن أن تشير رائحة الفواكه الحلوة إلى الحماض الكيتوني السكري (diabetic ketoacidosis) وهي مضاعفة قد تهدد الحياة في المرضى الذين يعانون من داء السكري. ومع ذلك، وعلى الرغم من أهميتها، إلا أن حاسة الشم البشرية لم تكن موثوقة بما يكفي لاستخدامها كأداة تشخيصية.

أحد أسباب ذلك هو أن حاسة الشم لدينا محدودة. حيث يمكننا اكتشاف غازات معينة، ولكن بتركيزات صغيرة فقط وضمن نطاق ضيق. علاوة على ذلك، يمكن أن تصبح أدمغتنا غير حساسة للروائح القوية، مما يجعل من الصعب التمييز بين الروائح المختلفة.

تاريخ موجز للأنوف الإلكترونية

عندما نفكر في الأنوف الإلكترونية، غالبًا ما نتخيل أجهزة مستقبلية يمكنها شم المرض والخطر بدقة. لكن مفهوم الأنوف الإلكترونية يعود إلى الثمانينيات، عندما بدأ العلماء لأول مرة في استكشاف طرق لمحاكاة حاسة الشم البشرية باستخدام التكنولوجيا.

تم تطوير أحد النماذج الأولية للأنوف الإلكترونية في التسعينيات، باستخدام مجموعة من أجهزة الاستشعار الكيميائية للكشف عن المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) في الهواء. غالبًا ما كانت هذه المستشعرات مغطاة بمواد مختلفة، مما يسمح لها بالاستجابة لأنواع معينة من الغازات. في حين أن هذه الأنوف الإلكترونية المبكرة أظهرت نتائج واعدة، إلا أنها كانت في كثير من الأحيان مكلفة وتستهلك الطاقة والموارد.

على مر السنين، واصل الباحثون تحسين تكنولوجيا الأنف الإلكترونية، وتجربة مواد جديدة وتصميمات أجهزة الاستشعار. ومع ذلك، غالبًا ما تتطلب هذه الأجهزة إلكترونيات معقدة وأجهزة استشعار متعددة، مما يجعلها باهظة الثمن في التصنيع والصيانة. وعلى الرغم من هذه التحديات، استمر حلم إنشاء جهاز يمكن أن ينافس حاسة الشم لدى الإنسان.

تسخير تكنولوجيا الهوائي لغرض جديد

عندما نكون محاطين بالهوائيات، غالبًا ما نعتبر التكنولوجيا التي تسمح لأجهزتنا بالتواصل مع بعضها البعض أمرًا مفروغًا منه. ولكن ماذا لو كان من الممكن استخدام هذه الهوائيات لأكثر من مجرد الاتصال؟ حيث يعتقد مؤلفو الدراسة أن تزويد الهوائيات بوظائف المستشعرات يمكن أن يفتح مجالات جديدة للتطبيق. ومن خلال الاستفادة من البنية التحتية الحالية، يمكن للباحثين إيجاد حلول مبتكرة لم يكن من الممكن تصورها من قبل.

أحد الدوافع الرئيسية وراء هذه الفكرة هو بساطة تكنولوجيا الهوائي. وبخلاف الأنوف الإلكترونية الأخرى التي تتطلب مئات المستشعرات، كل منها مطلي بمواد مختلفة، يتكون المستشعر الهوائي من هوائي واحد فقط بنوع واحد من الطلاء. وهذا لا يجعلها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة فحسب، بل يجعلها أيضًا فعالة من حيث التكلفة وصديقة للبيئة.

ويعمل الفريق على إعادة استخدام تقنية الهوائي للكشف عن المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، الغازات المنبعثة من الكائنات الحية والأشياء اليومية. هذا الإنجاز لديه القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي نكتشف بها الأمراض والغازات الخطرة والأطعمة الفاسدة.

كيف يكتشف الأنف الهوائي المركبات العضوية المتطايرة؟

لنقل أنك في غرفة مليئة بالغازات المختلفة، ولكل منها رائحته الفريدة. تمتزج رائحة العشب الطازج وأبخرة البنزين القوية والرائحة الحلوة للفواكه الناضجة معًا في مزيج معقد. ولكن كيف يمكننا أن نميز رائحة عن أخرى؟

تكمن الإجابة في طريقة عمل الأنف الهوائي. فهو ينقل إشارات الراديو بترددات متعددة إلى المناطق المحيطة، ثم يحلل كيفية انعكاسها. وتعمل الغازات الموجودة في الهواء على تغيير الطريقة التي تتصرف بها الإشارات، مما يخلق أنماطًا فريدة يمكن ربطها بمركبات عضوية متطايرة محددة (VOCs).

المركبات العضوية المتطايرة هي غازات توجد عادة في الهواء. وتتميز بنقطة غليان منخفضة، مما يعني أنها تميل إلى التبخر عند درجات حرارة منخفضة. وعلى الرغم من أنه لا يمكن رؤيتها أو الشعور بها، فمن المؤكد أنك ستشم العديد منها.

فكر في الأمر كبصمة إصبع، كل مركب عضوي متطاير له “بصمة” فريدة خاصة به يمكن أن يكتشفها الهوائي. ومن خلال تعديل الخوارزميات التي تكتشف هذه البصمات، يعتقد الباحثون أن التكنولوجيا قد تكون قادرة أيضًا على اكتشاف الأمراض.

• هل توجد علاقة بين تلوث الهواء وكلاً من نسبة الذكور والخصوبة؟
• كيف تساعدك البكتيريا في علاج الجيوب الأنفية ؟
• تدهور الحواس يؤثر على الصحة العقلية لكبار السن
• كيف يُسبب فيروس كورونا تغيرات في حاسّة الشّم؟
• ما هو السبب وراء إطلاق البوليستر رائحة كريهة عند التعرق مقارنة بأنواع الملابس الأخرى؟

التأثير المحتمل

بفضل قدرته على اكتشاف المركبات العضوية المتطايرة بدقة عالية، يمكن أن يُحدث الأنف الاصطناعي ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع الرعاية الصحية وسلامة الأغذية.

في المجال الطبي، يمكن للأنف الاصطناعي أن يكشف الامراض في مراحلها المبكرة، مما يسمح بالعلاج في الوقت المناسب وتحسين نتائج المرضى. على سبيل المثال، تطلق أنواع معينة من السرطان مركبات عضوية متطايرة محددة يمكن اكتشافها بواسطة المستشعر، مما يمكّن الأطباء من التعرف على المرض في مرحلة لا يزال فيها قابلاً للعلاج.

وفي صناعة المواد الغذائية، يمكن استخدام المستشعر الهوائي للكشف عن الأطعمة الفاسدة، مما يقلل من مخاطر الأمراض المنقولة بالغذاء ويوفر ملايين الدولارات من النفايات. ويمكن استخدامه أيضًا لمراقبة جودة الأغذية، مما يضمن حصول المستهلكين على منتجات طازجة وآمنة.

لكن التأثير المحتمل للأنف الاصطناعي يتجاوز مجرد أن يكشف الامراض. حيث يمكن استخدامه أيضًا لمراقبة جودة الهواء، والكشف عن الغازات الخطرة، وحتى تتبع البيئة بحثًا عن علامات التلوث. بفضل استهلاكه المنخفض للطاقة وانخفاض تكلفة المواد، يمكن دمج المستشعر الهوائي في البنية التحتية الحالية، مما يجعله حلاً فعالاً من حيث التكلفة لمجموعة واسعة من الصناعات.

المصادر

Artificial ‘nose’ can sniff out damaged fruit and spoiled meat | eurekalert

Facile E-nose based on single antenna and graphene oxide for sensing volatile organic compound gases with ultrahigh selectivity and accuracy | Sensors and Actuators B Chemical