

Di Universitas Sains dan Teknologi Norwegia (NTNU) di Gjøvik, para peneliti menggabungkan sensor dengan teknologi antena untuk dapat mengenali berbagai bau. (Kredit foto: Mads Wang-Svendsen)
GJØVIK, Norwegia — Bayangkan sebuah perangkat yang dapat mengendus kerusakan mekanis pada apel sebelum munculnya memar, mendeteksi penyakit melalui napas pasien, memantau kesegaran makanan secara real-time di seluruh rantai pasokan, dan mengidentifikasi gas berbahaya di lingkungan industri — semuanya menggunakan teknologi yang serupa dengan yang sudah ada. ponsel cerdas Anda. Para ilmuwan di Universitas Sains dan Teknologi Norwegia (NTNU) telah mengembangkan perangkat seperti itu: hidung elektronik revolusioner yang dengan satu sensor dapat mencapai apa yang biasanya membutuhkan ratusan sensor.
Terobosan ini, yang dijuluki “Ant-nose,” dapat mengubah cara kita memantau segala sesuatu mulai dari keamanan pangan hingga bahaya lingkungan, sekaligus menjadi lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan sistem yang ada saat ini. Yang membuat perkembangan ini luar biasa adalah teknologi ini memanfaatkan teknologi antena yang sudah dikenal – prinsip dasar yang sama yang membantu ponsel dan komputer kita berkomunikasi – untuk menciptakan indra penciuman buatan yang dalam beberapa hal melampaui kemampuan penciuman manusia dan anjing.
Para peneliti yakin Ant-nose bisa menyamai atau melampaui kemampuan penciuman manusia dan anjing, dengan menggunakan teknologi yang sudah ada di rumah kita. Temuan mereka dipublikasikan di jurnal Sensor dan Aktuator : B. Kimia.
“Kita benar-benar dikelilingi oleh teknologi yang berkomunikasi menggunakan teknologi antena,” kata Michael Cheffena, profesor telekomunikasi di NTNU, dalam sebuah pernyataan. Keberadaan antena di perangkat kita sehari-hari, mulai dari ponsel hingga komputer dan TV, menciptakan infrastruktur yang dapat dimanfaatkan untuk teknologi penginderaan baru ini.


Hidung elektronik tradisional, atau e-noses, terinspirasi oleh bau mamalia. Mereka biasanya memerlukan rangkaian sensor yang berbeda, terkadang ratusan sensor, masing-masing dilapisi dengan bahan berbeda untuk mendeteksi berbagai gas. “Hidung elektronik lainnya dapat memiliki beberapa ratus sensor, seringkali masing-masing dilapisi dengan bahan berbeda,” jelas Cheffena. “Hal ini membuat keduanya sangat boros daya untuk dioperasikan dan mahal untuk diproduksi. Mereka juga memerlukan konsumsi material yang tinggi. Sebaliknya, sensor antena hanya terdiri dari satu antena dengan satu jenis lapisan.”
Ant-nose bekerja dengan mentransmisikan sinyal radio pada berbagai frekuensi dan menganalisis bagaimana sinyal tersebut dipantulkan kembali. Refleksi ini menciptakan pola unik berdasarkan gas yang ada, mirip dengan sidik jari kimiawi. Perangkat ini dapat mendeteksi senyawa organik yang mudah menguap (VOC), gas yang mudah menguap pada suhu rendah. Senyawa ini terdapat di seluruh lingkungan kita — mulai dari aroma menyenangkan dari rumput yang baru dipotong (yang dikeluarkan tanaman untuk perlindungan dan komunikasi) hingga asap bensin.
Salah satu kemampuan penting perangkat ini adalah kemampuannya untuk membedakan isomer – senyawa kimia yang Yu Dang, penulis utama studi tersebut, gambarkan sebagai “agak mirip kembar: sangat mirip, namun tidak identik.” Ant-nose menunjukkan akurasi luar biasa dalam membedakan senyawa yang serupa secara molekuler, mencapai tingkat akurasi 96,7% dalam membedakan enam VOC berbeda, termasuk pasangan isomer.


Penelitian ini menyarankan beberapa penerapan potensial di berbagai industri. Ant-nose berpotensi membantu dalam pemantauan kualitas makanan, keamanan industri, dan perlindungan lingkungan. Kemampuannya untuk mempertahankan komunikasi yang stabil saat melakukan penginderaan membuatnya sangat menarik untuk diintegrasikan ke dalam jaringan sensor yang ada.
Dalam uji laboratorium, peneliti menunjukkan kegunaan praktis Ant-nose. Mereka menggunakannya untuk menilai kerusakan apel dengan memantau emisi kimia setelah memberikan tekanan serupa dengan apa yang mungkin dialami buah selama pengiriman. Perangkat ini berhasil membedakan antara apel yang rusak dan tidak rusak, sehingga menunjukkan potensi penerapan dalam pemantauan pengangkutan makanan.
Tim memperluas pengujian mereka untuk mengevaluasi kesegaran makanan, memeriksa sampel stroberi, anggur, dan daging babi. Perangkat tersebut terbukti mampu mendeteksi perubahan kimia yang terjadi seiring bertambahnya usia makanan, dan berhasil membedakan antara makanan segar dan makanan yang disimpan selama lima hari.
Para peneliti membayangkan penerapan medis masa depan untuk teknologi ini. “Senyawa organik yang mudah menguap memungkinkan anjing terlatih mendeteksi perubahan gula darah dan penyakit seperti kanker yang mengancam kesehatan, jadi prinsipnya hampir sama,” kata Dang. Tidak seperti anjing pendeteksi, yang memerlukan pelatihan khusus selama berbulan-bulan, Ant-nose berpotensi menawarkan solusi yang lebih mudah diakses untuk mendeteksi penyakit, meskipun aplikasi ini memerlukan penelitian dan validasi lebih lanjut.
Ringkasan Makalah
Metodologi Dijelaskan
Para peneliti merancang sensor antena tunggal yang dilapisi dengan campuran graphene oksida dan Nafion (sejenis polimer). Perangkat ini diuji dalam ruang 10 liter tertutup di mana berbagai senyawa organik yang mudah menguap (VOC) dimasukkan dalam jumlah yang tepat. Respons Ant-nose diukur pada beberapa frekuensi gelombang mikro, sehingga menghasilkan “sidik jari” yang berbeda untuk berbagai gas. Algoritme pembelajaran mesin kemudian menganalisis pola-pola ini untuk mengidentifikasi dan mengukur gas yang ada.
Rincian Hasil
Perangkat ini mencapai akurasi 96,7% dalam membedakan enam VOC berbeda, termasuk pasangan molekul yang sangat mirip (isomer). Hal ini juga dapat menentukan konsentrasi gas dalam campuran dengan akurasi lebih dari 98%. Dalam uji praktik, alat ini berhasil membedakan antara produk makanan segar dan produk makanan tua serta mendeteksi kerusakan mekanis pada apel.
Keterbatasan
Kinerja sistem dipengaruhi oleh tingkat kelembapan yang tinggi, yang menunjukkan penurunan akurasi di atas kelembapan relatif 55%. Penelitian ini juga berfokus terutama pada sejumlah kecil VOC dan produk makanan, sehingga diperlukan pengujian yang lebih luas untuk memastikan efektivitasnya pada lebih banyak aplikasi.
Poin Penting
Penelitian ini menunjukkan bahwa penginderaan gas yang kompleks dapat dicapai dengan perangkat keras yang jauh lebih sederhana daripada yang diperkirakan sebelumnya. Kombinasi sensor tunggal dengan analisis data yang canggih menawarkan paradigma baru dalam pengembangan hidung elektronik, yang berpotensi membuat teknologi ini lebih mudah diakses dan digunakan secara luas.
Pendanaan dan Pengungkapan
Pekerjaan ini didukung oleh Universitas Sains dan Teknologi Norwegia (NTNU). Para penulis menyatakan tidak ada persaingan kepentingan finansial atau hubungan pribadi yang dapat mempengaruhi penelitian.
Informasi Publikasi
Diterbitkan 15 November 2024 di Sensor dan Aktuator : B. KimiaVolume 419, 2024. Penulis: Yu Dang, Yenugu Veera Manohara Reddy, dan Michael Cheffena. DOI: 10.1016/j.snb.2024.136409.