soluzioni di sicurezza

Quando gli organismi viventi e le macchine si fondono tra loro, i confini della stessa tecnologia di rilevamento vengono ridefiniti. I sensori che mescolano animali e macchine combinano l’elevata sensibilità degli organismi viventi con la stabilità dei dispositivi meccanici, creando nuove possibilità per il monitoraggio ambientale, la diagnosi medica e il rilevamento di sicurezza. Quando i tessuti biologici e i componenti elettronici vengono integrati, possiamo superare i limiti fisici dei sensori tradizionali e ottenere una raccolta e un’analisi dei dati più accurata ed efficiente.

Come i sensori degli animali migliorano la precisione del rilevamento

Milioni di anni di evoluzione hanno permesso agli organismi di sviluppare sistemi di rilevamento estremamente sofisticati. Ad esempio, i recettori dei feromoni sessuali delle falene possono rilevare singole molecole con una sensibilità di gran lunga superiore a quella di qualsiasi sensore chimico artificiale. Collegando i nervi olfattivi degli insetti viventi con array di microelettrodi, siamo riusciti a ottenere un allarme ultra-precoce di esplosivi e veleni. La soglia di rilevamento è tre ordini di grandezza inferiore a quella dei tradizionali nasi elettronici.

Per applicazioni pratiche, abbiamo collegato i segnali potenziali delle antenne delle api con algoritmi di apprendimento automatico e sviluppato una rete di sensori mobili in grado di monitorare l'inquinamento atmosferico in tempo reale. Questi dispositivi di biomiscelazione non solo possono identificare inquinanti specifici, ma riflettono anche l’effetto complessivo della qualità ambientale in base ai cambiamenti nel comportamento delle colonie di api. Rispetto ai sensori tradizionali, questo sistema presenta un miglioramento del 47% nella precisione di identificazione di inquinanti misti complessi e non richiede tarature frequenti.

Quali animali sono adatti per realizzare sensori ibridi?

La scelta di componenti biologici appropriati richiede una considerazione completa delle caratteristiche sensoriali, dei bisogni di sopravvivenza e di considerazioni etiche. Gli insetti, gli organismi acquatici e i piccoli mammiferi sono attualmente i più studiati. Le mosche della Drosophila hanno geni dei recettori olfattivi facilmente ingegnerizzabili e sono spesso utilizzate come piattaforme di rilevamento degli odori personalizzabili. Il sistema della linea laterale nel pesce zebra è estremamente sensibile ai cambiamenti nel flusso dell'acqua, rendendolo ideale per lo sviluppo di sensori di vibrazioni subacquee.

Nel campo della diagnosi medica, abbiamo integrato il tessuto epiteliale olfattivo dei topi con transistor ad effetto di campo per creare un naso bioelettronico in grado di identificare precocemente il cancro ai polmoni dal respiro del paziente. Questo dispositivo mantiene l'attività metabolica dei tessuti biologici e fornisce continuamente nutrienti attraverso il sistema microfluidico. La chiave per selezionare tali organismi modello è la corrispondenza affidabile tra le loro proprietà sensoriali e i biomarcatori delle malattie umane.

Quali sfide tecniche devono affrontare i sensori ibridi?

Attualmente, il problema principale che dobbiamo affrontare è la stabilità dell’interfaccia tra tessuto biologico e componenti elettronici. Quando le cellule viventi vengono collocate in un ambiente non fisiologico, il loro tempo di sopravvivenza è limitato e la qualità della trasmissione del segnale sarà ridotta a causa della degradazione dei tessuti. Sebbene siamo riusciti ad estendere il tempo di connessione stabile tra neuroni ed elettrodi dalle 72 ore originali a tre settimane sviluppando un sistema di coltura del microambiente bionico, esiste ancora un divario rispetto alle esigenze commerciali.

Anche convertire e interpretare diversi tipi di segnali è piuttosto complicato. I segnali bioelettrici sono spesso accompagnati da un forte rumore di fondo e le differenze individuali sono molto significative. Abbiamo costruito una libreria di algoritmi di filtraggio adattivo, in grado di estrarre picchi caratteristici causati da odori specifici dai segnali neurali degli scarafaggi. Tuttavia, la calibrazione di ciascun lotto di componenti biologici richiede ancora la partecipazione di esperti, che rappresenta il principale collo di bottiglia che limita l’applicazione su larga scala.

Quali sono i casi pratici di applicazione dei sensori ibridi?

Nel campo delle ispezioni di sicurezza delle frontiere, abbiamo implementato un sistema di rilevamento di esplosivi che si basa sull'olfatto delle locuste. Gli insetti addestrati possono identificare in tempo reale più di 12 sostanze chimiche pericolose sui nastri trasportatori dei bagagli, con un tasso di falsi allarmi inferiore del 65% rispetto a quello della scansione a raggi X. Quando viene rilevata la sostanza bersaglio, il segnale elettrico specifico generato dai gangli dell'insetto attiva un allarme graduale e l'intero processo richiede solo 0,3 secondi.

Il meccanismo di riflessione a guscio chiuso dei mitili viene utilizzato dalla rete di monitoraggio degli oceani. Impiantiamo microsensori nei gusci dei molluschi. Quando la qualità dell'acqua peggiora e i gusci si chiudono frequentemente, il sistema raccoglierà automaticamente campioni di acqua ed effettuerà analisi approfondite. Questa strategia di indicatori biologici aggiorna la modalità di campionamento programmato del monitoraggio tradizionale al monitoraggio intelligente basato sugli eventi e la tempestività del rilevamento anomalo è stata notevolmente migliorata.

Quali sono le controversie etiche dei sensori ibridi?

Il focus della controversia è il benessere degli animali. Anche se utilizziamo operazioni indolori e tecniche minimamente invasive, l’utilizzo di organismi viventi come componenti di rilevamento solleva ancora molte domande. Il "principio 3R" che seguiamo attualmente richiede di dare priorità alle alternative, ridurre il numero di usi e ottimizzare costantemente le procedure sperimentali. Ogni progetto deve essere esaminato dal comitato di bioetica per garantire che il dolore subito dai componenti biologici sia ridotto al minimo.

Non ignorare mai la sicurezza ecologica. Gli organismi geneticamente modificati avranno un impatto sulle popolazioni naturali attraverso l’ibridazione e, se vengono introdotte specie esotiche, è più probabile che distruggano l’equilibrio ecologico locale. Conduciamo tutti gli esperimenti in un ambiente chiuso, implementiamo rigorosi trattamenti di sterilizzazione per organismi ingegnerizzati e progettiamo molteplici misure di isolamento fisico e biologico. Il costo di queste prevenzioni rappresenta circa il 15% del budget totale del progetto.

La direzione futura dello sviluppo dei sensori ibridi

La prossima generazione di tecnologia si concentrerà sulla produzione standardizzata di componenti biologici. Attualmente stiamo lavorando allo sviluppo di una piattaforma di sensori universale basata su cellule staminali pluripotenti indotte per ottenere tessuto sensibile stabile e unificato attraverso la differenziazione direzionale. Ciò non solo risolve il problema delle differenze nei singoli organismi, ma consente anche la personalizzazione delle cellule recettrici con funzioni specifiche in base alle esigenze, in modo che le capacità di rilevamento possano essere programmate in base alle esigenze.

Sono stati compiuti progressi anche nello sviluppo di sistemi di calibrazione adattivi. All'interno è impiantato un modulo di regolazione del feedback e, basandosi su di esso, il sensore ibrido può regolare automaticamente i parametri di lavoro in base ai cambiamenti nell'ambiente. Quando abbiamo condotto gli esperimenti, abbiamo scoperto che il rapporto segnale-rumore del sensore della linea laterale del pesce dotato di un algoritmo di apprendimento per rinforzo è aumentato del 130% dopo 30 giorni di auto-ottimizzazione. Tali capacità evolutive sono difficili da ottenere con apparecchiature puramente elettroniche.

Secondo te, quando gli esseri viventi diventano parte del nodo macchina, come definiamo lo status etico di tale fusione? Benvenuto per condividere le tue opinioni nell'area commenti. Se ritieni che questo articolo abbia valore, metti mi piace per supportarlo e condividerlo con più amici.