באף שלנו יש כ-400 קולטנים בלבד, ובכל זאת אנחנו מסוגלים להריח מיליוני ריחות שונים שנישאים באוויר בדמות מולקולות נדיפות. הקולטנים שיש לנו אינם ספציפיים לכל ריח, אך אנחנו עדיין יכולים לזהות מגוון רחב של ריחות שונים מכיוון שהמולקולות הנדיפות שנקשרות לקולטנים עוברות עיבוד במוח שיודע לתרגם את התבנית המיוחדת של הקישור של המולקולות ולזהות ריחות ספציפיים. כמו כן, המוח שלנו לומד ומקטלג ריחות שפגשנו פעם, לכן אנחנו מזהים ריחות מסוימים גם בלי הויזואליה של האובייקט בעל הריח. במעבדה של פרופ' עודד שוסיוב בפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית, צוות חוקרים בהובלת הדוקטורנט ולד שומייקו פיתחו אף ממוחשב, שמחקה את הפעולה המשולבת של האף והמוח שלנו ויודע לזהות ריחות שונים על ידי עיבוד וניתוח של הצורה בה נקשרים המולקולות הנדיפות לקולטנים בלמידת מכונה. המחקר נעשה בשיתוף פרופ' יוסי פלטיאל ופרופ' צבי חיוקה מהאוניברסיטה העברית וד"ר גילי ביסקר מאוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם לאחרונה בכתב העת Biosensors and Bioelectronics.
"הכוונה הייתה לפתח מכשיר אוניברסלי שיוכל להריח ריחות שונים ללא צורך לייצר חיישן נפרד לכל ריח חדש", הסביר שומייקו. "במיליוני שנים של אבולוציה, הטבע יצר כלים מדהימים להתמודד עם אתגרים יומיומיים באפקטיביות רבה, לכן החלטנו ללמוד מהטבע. המכשיר שפיתחנו מדמה את הצורה בה פועל האף שלנו".
צוות החוקרים הציג לראשונה אי פעם שימוש בתכונות אופטיות מיוחדות של צינוריות פחמן, מולקולות ננו-מטריות (קטנות פי מיליון ממילימטר), לטובת זיהוי של חומרים נדיפים. צינוריות פחמן מתאפיינות בתכונות מיוחדות רבות, ביניהן פליטה של אור בתחום האינפרה אדום. בעזרת התאמות כימיות של צינוריות פחמן, ניתן לגרום להן להיקשר לחומרים ספציפיים ולהגיב על ידי שינוי בסיגנל האופטי.
לאף האופטי שתכננו החוקרים יש מערך חיישנים המורכב מצינוריות פחמן שמדמים את הקולטנים באף והקישור של מולקולות נדיפות אליהם גורם לשינוי בסיגנל האופטי באותם החיישנים. כך, הריח למעשה הופך לתמונה. הסיגנל האופטי שנקלט עובר באופן אוטומטי לניתוח באמצעות למידת מכונה (deep learning) וכך המערכת לומדת לזהות ריחות שונים ומולקולות שונות בצורה דומה למוח שלנו.
"כיום, המערכת יודעת לזהות עשרות ריחות שונים והיד עוד נטויה" אמר ולד שומייקו. "המכונה אפילו יעילה יותר מהאף האנושי כי היא יכולה לזהות ריחות שאנחנו לא יכולים. לדוגמה, לא רק שהמכונה תדע להבדיל בין הריח של בירה, וודקה ויין, אלא היא גם תדע מהו רכיב הכוהל שנמצא בתוך המשקה; אתנול, מתנול, פרופנול ועוד, כך שאם מכרו לכם משקה אלכוהולי מזויף, המכונה תדע את זה תוך מספר שניות".
פרופ' שוסיוב המשיך להסביר על היישומיות של הפיתוח: "בנוסף לשימושים רבים ומגוונים בתחום המזון, כמו איתור אלכוהול מזויף או מזון מקולקל או מורעל, ישנם יישומים נוספים רבים לטכנולוגיה זו. בתקופה הזו רוב התוכן בחדשות הוא על מחלת הקורונה, וכמו בהרבה מחלות ויראלית של דרכי נשימה גם נגיף הקורונה גורם לשינויים בפרופיל של מולקולות נדיפות אשר נפלטות לחולים בנשימה. פוטנציאלית, ניתן להשתמש במערכת לצורך זיהוי מהיר של חולי קורונה בצורה לא פולשנית על ידי ניתוח הנשיפות שלהם. אלה רק דוגמאות בודדות – הפוטנציאל היישומי של הטכנולוגיה שלנו נרחב הרבה מעבר לכך".
