Дрон научили обнаруживать газы за считаные миллисекунды, прямо во время полёта. Исследователи создали электронный нос, который измеряет концентрацию газа в 10–1000 раз быстрее обычных датчиков. Разработку уже испытали на беспилотнике, который обследовал несколько источников газа, не останавливаясь для измерений.
Обычные газовые датчики работают довольно медленно. Когда молекулы газа попадают на чувствительную поверхность, её электрическое сопротивление постепенно меняется. Прибору нужно время, чтобы сигнал стабилизировался и можно было определить концентрацию вещества. Для стационарного оборудования задержка не всегда критична, но летящий дрон за время ожидания успевает удалиться от места утечки.
Разработчики нашли способ получать ответ гораздо раньше. Вместо того чтобы ждать окончательного изменения сопротивления, электроника отслеживает, насколько быстро молекулы газа оседают на поверхности датчика. Чем выше концентрация, тем иначе меняется сигнал в первые мгновения контакта. По скорости изменений система рассчитывает концентрацию, пока обычный сенсор ещё продолжает реагировать.
Всю необходимую обработку выполняет небольшая аналоговая схема, встроенная непосредственно в датчик. Электроника сразу выделяет нужные характеристики сигнала, поэтому прибору не приходится ждать, пока чувствительный материал достигнет равновесия с окружающим воздухом. Исследователи сначала проверили метод на датчике водорода, а затем испытали его с другими чувствительными материалами. В зависимости от условий измерений скорость определения концентрации выросла в десятки, сотни и даже тысячу раз.
Быстро заметить газ недостаточно, если в воздухе одновременно присутствуют несколько веществ. Разные молекулы могут вызывать похожие изменения электрического сопротивления, из-за чего прибору трудно определить состав смеси. Для решения проблемы разработчики подключили алгоритмы машинного обучения. Программа анализирует особенности реакции датчиков и учится различать вещества по характерным изменениям сигналов. Испытания подтвердили, что метод подходит и для анализа сложных газовых смесей.
Затем электронный нос отправили в полёт. Исследователи закрепили измерительную систему под беспилотником и направили аппарат над несколькими контейнерами с газами. В верхней части контейнеров оставили отверстия, через которые датчики могли исследовать воздух внутри. Дрон последовательно пролетал над ними, а установленная электроника записывала сигналы в реальном времени. Эксперимент показал, что химический анализ можно проводить непосредственно во время движения.
Скорость особенно важна при поиске утечек. Газ распространяется неравномерно: ветер перемешивает воздушные потоки, а концентрация постоянно меняется. Медленный датчик может показать значение, которое уже не соответствует месту нахождения беспилотника. Быстрые измерения позволяют гораздо точнее проследить, как меняется концентрация по маршруту, и помогают искать источник выброса.
В будущем электронный нос можно будет использовать для обследования трубопроводов, химических предприятий и других объектов, где утечка опасного вещества угрожает людям. Однако пока исследователи продемонстрировали работу экспериментального устройства. Прежде чем отправлять беспилотники на реальные аварии, предстоит проверить, насколько надёжно датчики работают при сильном ветре, переменной влажности и большом количестве посторонних примесей. Главный результат уже получен: искусственное обоняние научилось реагировать достаточно быстро, чтобы робот мог исследовать химическую среду прямо на ходу.
