Наука и технологии 7 февраля 2024

ИИ с крысиным носом

Российские ученые разработали биогибридную обонятельную систему. «Компьютерный нос», созданный в НИТЦ нейротехнологий Южного федерального университета (ЮФУ), позволяет интегрировать животное в компьютерное распознавание запахов для поиска запрещенных веществ и проверки грузов
ИИ с крысиным носом
В обонятельную луковицу крысы вживляется матрица микроэлектродов; с помощью компьютерной программы считывается активность мозга, из нее извлекаются паттерны электросигналов, отвечающие конкретному веществу или набору веществ
Пресс-служба ЮФУ

Разработка основана на малоинвазивных имплантатах и нейросетях. Как утверждают авторы, она превосходит лучшие аналоги по чувствительности более чем в миллион раз, а «натренировать» ее на любое новое вещество можно всего за полчаса.

В обонятельную луковицу животного вживляется матрица микроэлектродов. Система также включает в себя усилитель биологических сигналов, аналого-цифровой преобразователь и специальное программное обеспечение на основе большого набора нейросетей. Уникальность технологии в том, что не животное обучается распознавать целевые вещества, а искусственный интеллект на основе активности мозга животного.

Благодаря новой системе можно проводить подробную регистрацию и анализ того, что именно животное вдыхает в данный момент. Таким образом, утверждают ученые, разработку нельзя обмануть, как обычное тренированное животное, замаскировав запрещенное вещество резкими запахами.

С помощью компьютерной программы происходит считывание активности мозга, из нее извлекаются паттерны электрических сигналов, отвечающие конкретному веществу или набору веществ. Еще одна отличительная особенность разработки — высокая скорость анализа и низкая себестоимость.

«Данной проблематикой довольно активно занимаются за рубежом, однако пока глубокой и эффективной интеграции математического и биологического аппарата, как в нашей работе, достигнуто не было», — отмечают исследователи ЮФУ.


КРЫСА-САПЕР.jpg
Идея использовать гамбийских крыс для разминирования территории пришла в голову бельгийскому студенту Барту Витдженсу, который занимался их исследованием
fishki.net

Уловят самый тонкий запах

Обоняние у многих животных значительно сильнее человеческого. У нас в носу около шести миллионов обонятельных рецепторов, а, к примеру, у собак — 300 миллионов. А обонятельная луковица у них в сорок раз больше, чем у человека. Это позволяет собакам улавливать запахи в намного меньших концентрациях. При благоприятных условиях пес способен обнаружить источник запаха на расстоянии до километра, а в исключительных случаях даже до полутора.

В России собак в качестве ищеек стали использовать в начале XX века. В 1908 году было создано Российское общество поощрения применения собак к полицейской и сторожевой службе, оно входило в состав департамента полиции МВД. Полицейских собак обучали разыскивать преступников по горячим следам, искать спрятанные вещи, а также выбирать предметы, на которых конкретный человек оставил свой запах.

Во время Великой Отечественной войны собаки очень помогли с разминированием. Первые полевые испытания были проведены в декабре 1942 года. Выяснилось, что животные способны находить мины, замаскированные самым сложным образом. За годы войны минно-розыскные собаки нашли более четырех миллионов мин, фугасов и других зарядов, они разминировали сотни населенных пунктов, в том числе Харьков, Киев, Варшаву, Вену.

Крысы тоже очень хорошо чувствуют запахи, и их также используют в роли саперов. Для этого лучше всего подходят гамбийские крысы. Они вырастают в длину до метра, весят до четырех килограммов. Но их главное преимущество — продолжительность жизни. В домашних условиях они доживают до семи лет, а обычные крысы в среднем живут всего два года.

magnifier.png Крысы тоже очень хорошо чувствуют запахи, и их также используют в роли саперов. Для этого лучше всего подходят гамбийские крысы. Они вырастают в длину до метра и весят до четырех килограммов

Идея использовать этих гигантских крыс на минных полях пришла в голову бельгийскому студенту Барту Витдженсу, который занимался их исследованием. Как известно, крысы — очень умные животные, и выяснилось, что с поиском мин они справляются не хуже собак. При этом их обучение саперному делу обходится в два-три раза дешевле. Разводить крыс очень легко. К тому же в отличие от собак они не могут подорваться, наступив на мину, — слишком легкие.

Работа происходит следующим образом. Заминированную территорию разбивают на квадраты по 20 метров, для тренеров при помощи миноискателя освобождают от мин узкие дорожки. Вдоль них протягивается проволока, по которой и бежит крыса. После каждого прохода проволоку передвигают на определенное расстояние, пока не будет пройдено все минное поле.

Как только крыса-сапер обнаруживает мину, она останавливается около нее и начинает рыть землю. Обнаруженное взрывное устройство обозначают флажком. За полчаса четвероногий сапер может обследовать более 200 кв. м. Помощь от этих зверей огромна. К примеру, только в Мозамбике они помогли обезвредить более 13 тыс. мин, людям вернулись 11 млн кв. м земли.

Африканский опыт решили перенять в полиции Роттердама — второго по величине города Нидерландов. Крыс натренировали распознавать определенные запахи, точность почти стопроцентная. К примеру, несколько человек подозреваются в незаконном применении огнестрельного оружия. Анализ обычными методами, который позволяет выявить следы сгорания пороха на одежде, занимает около двух часов, на проверку всех подозреваемых уйдет много времени. Крыса же моментально определит того, кто стрелял, а потом для юридической достоверности уже будет проведен тщательный анализ с помощью традиционных способов.


КОСЕНКО.jpg
Ведущий научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко
Пресс-служба ЮФУ

Зверь спит, служба идет

«Существует множество точнейших аналитических комплексов обнаружения целевых веществ, но на практике часто больше подходят специально обученные животные-макросматики, - рассказал “Стимулу” ведущий научный сотрудник НИТЦ нейротехнологий ЮФУ Петр Косенко. — Одно из их основных преимуществ состоит в том, что их чрезвычайную чувствительность к запахам можно использовать в режиме реального времени. Однако на их работоспособность влияет множество факторов — погода, физическое состояние, другие животные, настроение тренера и так далее. В нашей системе животное находится в состоянии медикаментозного сна, оно отключено от внешних раздражающих факторов. Более того, решение о наличии или отсутствии целевого вещества в воздухе принимает не зверь, а искусственные нейронные сети, что в разы снижает возможность ошибки в обнаружении целевых веществ».

В качестве «живого сенсора» специалисты ЮФУ используют крыс, введенных в медикаментозный сон и помещенных в специальный переносной бокс. Здоровью животного при этом ничто не угрожает: в мозг малоинвазивным методом имплантируются микроэлектроды диаметром меньше волоса человека, а каждая «рабочая смена» длится не более двух часов.

magnifier.png В качестве «живого сенсора» специалисты ЮФУ используют крыс, введенных в медикаментозный сон и помещенных в специальный переносной бокс. Здоровью животного при этом ничто не угрожает

«Основная идея разработки состоит в совмещении свойств сверхчувствительного обонятельного анализатора животного-макросматика крысы с искусственным интеллектом, — поясняет Петр Косенко. — Для этого в обонятельный анализатор крысы имплантируются микроэлектроды, с их помощью регистрируется биоэлектрическая активность, которая, в свою очередь, изменяется специфично в зависимости от предъявляемого вещества. Далее на основе этих данных происходит обучение искусственных нейронных сетей, и с этого момента программное обеспечение автоматически способно выдать сигнал о наличии или отсутствии данных веществ в воздухе».

Лабораторные исследования показали стопроцентную эффективность новой системы. Сейчас разработка проходит полевые испытания.

«Одним из перспективных направлений для нас являются системы, в которых животное способно функционировать как сенсор в круглосуточном режиме, то есть во всем цикле бодрствование — сон, — поделился планами Петр Косенко. — Наша разработка заинтересовала ряд силовых структур».

Работа проводилась при поддержке Фонда перспективных исследований, результаты опубликованы в «Журнале аналитической химии». Кроме того, это направление — одно из стратегических для ЮФУ в рамках федеральной программы «Приоритет-2030» (национальный проект «Наука и университеты»).

Еще по теме:
13.02.2024
Ученые из Казанского федерального университета с коллегами из Томского государственного университета показали, что можно...
05.02.2024
Российские ученые разработали устройство для моделирования процессов перехода воды в пар на Луне. Эти исследования помог...
26.01.2024
Япония стала пятой страной после СССР, США, Китая и Индии, осуществившей мягкую посадку космического аппарата на поверхн...
24.01.2024
Исследователям из Сколково и МИСИС в коллаборации с коллегами из Канады, Великобритании, ОАЭ и Австрии удалось с помощью...
Наверх