Во всем многообразии научных и технических направлений, по которым развивается мировая промышленность, есть такое, в котором Украина может составить конкуренцию другим странам. Это разработка и производство датчиков для измерения тех или иных параметров.
Именно этим занимается группа, в которую входят ученые из нескольких академических институтов, а также «техническая база» — киевский завод «Меридиан» им. С. П.Королева. За фундаментальное исследование «Создание микроэлектронных датчиков нового поколения для интеллектуальных систем» и разработку около 50 новых типов сенсоров авторский коллектив выдвинут на соискание Государственной премии Украины за 2011 год.
Сегодня слово «сенсор» у многих ассоциируется с экраном мобильного телефона, откликающегося на прикосновение пальца. А ведь еще лет десять назад таких «умных» устройств в массовом пользовании не было. Сравнительно недавно появились и датчики, способные сканировать радужку глаза или отпечаток пальца. Сенсоры способны определять тысячи параметров, в том числе фиксировать явления, не доступные человеческим органам чувств.
Особенно остро вопрос о создании новых типов датчиков встал в последнее время, когда появилась микроэлектронная аппаратура, способная анализировать буквально все, о чем ее спросят. Если, конечно, спросят грамотно и с достаточным набором исходных данных, которые и должны поставлять сенсоры. Датчики являются посредниками между внешним миром и компьютерами. Чем дальше, тем больше будет возникать потребность в устройствах, способных служить для машин глазами, ушами, носом и еще сотнями других «органов чувств». И если Украина, увы, отстала в компьютерной гонке, то в создании сенсоров для самых разных измерений у нас есть вполне конкурентные наработки.
Узнать самочувствие листа
Одно из таких многообещающих направлений — биодатчики, созданные на границе между живой и неживой материей. Такие технологии сегодня только развиваются. Совместный коллектив ученых из Института кибернетики им. В. Глушкова, Института физики полупроводников им. В. Лашкарева НАН Украины сконструировал сенсоры, регистрирующие уровень фотосинтеза в листьях растений. Какое практическое применение могут найти такие приборы, рассказывает руководитель группы, заведующий отделом Института кибернетики Владимир Романов:
— Биосенсоры — это измерительные устройства, где роль чувствительного элемента выполняет живая материя. Это могут быть отдельные клетки или целые листья растений. Если каким-либо способом их возбудить, они станут источниками определенного вида сигналов. Биосенсоры могут являться индикаторами изменения состояния растений, воздуха, воды. В частности, под моим руководством разработано семейство приборов под общим названием «Флоратест», которые позволяют следить за фотосинтезом. Понятно, что измерять этот процесс прямыми методами невозможно — для этого надо убить само растение и посмотреть, как оно развивалось. Поэтому для работы сенсоров избран другой метод.
Если осветить синим светом хлорофилл в листе, в нем начнется процесс фотосинтеза, дающий свою определенную линию в спектре: лист будет светиться в красной его области (по принципу Паули). Это свечение можно зарегистрировать с помощью фотодиода, настроенного на определенную частоту. У прибора есть клипса, при помощи которой легкий датчик с фотодиодом прикрепляется к листу, а она, в свою очередь, соединяется с мобильным базовым блоком. На панели «Флоратеста» есть несколько кнопок управления и экран, куда выводятся кривая от фотодиода и ряд численных значений, определяемых микрокомпьютером.
По кривой светимости можно поставить диагноз всему растению после какого-либо воздействия на него — заморозков, полива, внесения удобрений или пестицидов. Так, можно определить, после какой дозы пестицидов фотосинтез в растении прекратится. Тогда при химической прополке бурьяна не придется вносить на поле лишнюю отраву. Аналогично мы определяли при помощи сенсоров, сколько нужно воды при искусственном орошении, что позволяет существенно экономить водные и энергоресурсы. На опытных полях мы получили экономию в десятки тысяч гривен. Есть методики, позволяющие выявить больные и слабые растения.
Разумеется, сами по себе сенсоры не могут дать никаких рекомендаций. Поэтому они подключены к интеллектуальным системам. В приборе есть встроенный микрокомпьютер, и задача нашей группы — разработать электронику и программное обеспечение для таких систем, чтобы по серии данных можно было построить кривую и на ее основе дать четкие ответы о состоянии растений. Мы проводим измерения этим методом и сравниваем с показателями стандартного биохимического анализа. Кстати, в отличие от нашего трехминутного теста, «биохимию» делают две недели, когда вмешаться в процесс уже практически невозможно.
Мы проводили испытания на разных полях, в том числе и в Германии, и сейчас составляем рекомендации для агрономов — пользователей нашего прибора: какие кривые по фотосинтезу являются оптимальными для разных растений, при каких параметрах надо поливать, при каких — добавить удобрений и так далее.
Каждому запаху — свой «нос»
— Насколько я понимаю, «Флоратест» — лишь один из многих сенсорных приборов, созданных в Украине. Расскажите, пожалуйста, о других разработках.
— Интеллектуальные системы нового поколения, созданные в Институте молекулярной биологии и генетики НАН Украины, в Институте электродинамики, в Институте физики полупроводников, включают в себя ряд биосенсоров и целых биоматриц. Работая вместе со встроенным микрокомпьютером, они могут исполнять роль искусственного носа или языка. Их чувствительность позволяет определить одну молекулу вредного вещества среди миллионов других.
Такие системы уже сейчас можно использовать в контейнерах или рефрижераторах для контроля качества продуктов питания. Есть разработки для обнаружения взрывчатых и других запрещенных веществ на вокзалах или в аэропортах. Практически готов мобильный прибор для определения сероводорода. Такой «нос» помогает избежать трагических случаев, которые, увы, происходят, когда копают колодцы, погреба, выполняют другие работы, где существует опасность выбросов сероводорода. При его разработке применены новые материалы на основе наноструктурированного кремния.
Или другой пример. Во Львовском политехническом институте создан миниатюрный датчик измерения внутричерепного давления, который можно применять для диагностики черепно-мозговых травм. Он успешно прошел клинические испытания и уже использовался в нейрохирургическом отделении Львовской больницы скорой помощи. Созданы миниатюрные датчики для измерения давления в брюшной полости при гастроэнтерологических исследованиях, дифференциального давления для диагностики заболеваний уха. По заказу строителей разработан набор датчиков силы для отслеживания разрушительных нагрузок на железобетонные конструкции. На основе биосенсора создан прибор для экспресс-теста на птичий вирусный грипп.
Кстати, одна из сенсорных систем, созданных нашим коллективом, используется и в работе знаменитого Большого адронного коллайдера в Швейцарии. Это специальные сканирующие микроскопы, позволяющие измерять сверхмалые расстояния пробега частиц во время распада. У нас они применяются для определения качества материалов в электронной и наноэлектронной промышленности. Такие сверхмалые промежутки эти приборы могут измерять путем высокочастотного сканирования.
