أجهزة استشعار بالذكاء الاصطناعي لاكتشاف الفورمالديهايد السام في المنازل والمكاتب

يمكن لأجهزة الاستشعار المصنوعة من “الدخان المتجمد” اكتشاف الفورمالديهايد السام في المنازل والمكاتب

طور الباحثون جهاز استشعار مصنوع من “الدخان المتجمد” يستخدم تقنيات الذكاء الاصطناعي للكشف عن الفورمالديهايد في الوقت الحقيقي بتركيزات منخفضة تصل إلى ثمانية أجزاء في المليار، وهو ما يتجاوز بكثير حساسية معظم أجهزة استشعار جودة الهواء الداخلي.

وقام الباحثون من جامعة كامبريدج بتطوير أجهزة استشعار مصنوعة من مواد مسامية للغاية تعرف باسم الهلام الهوائي. ومن خلال هندسة شكل الثقوب الموجودة في الإيروجيل بدقة، تمكنت أجهزة الاستشعار من اكتشاف بصمة الفورمالديهايد، وهو ملوث هواء داخلي شائع، في درجة حرارة الغرفة.

يمكن تكييف أجهزة الاستشعار المثبتة للمفهوم، والتي تتطلب الحد الأدنى من الطاقة، للكشف عن مجموعة واسعة من الغازات الخطرة، ويمكن أيضًا تصغيرها للاستخدامات القابلة للارتداء وتطبيقات الرعاية الصحية. وقد تم نشر النتائج في مجلة Science Advances.

تعد المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) مصدرًا رئيسيًا لتلوث الهواء الداخلي، مما يسبب عيونًا دامعة، وحرقان في العينين والحلق، وصعوبة في التنفس عند المستويات المرتفعة. يمكن أن تؤدي التركيزات العالية إلى حدوث نوبات لدى الأشخاص المصابين بالربو، كما أن التعرض لفترات طويلة قد يسبب بعض أنواع السرطان.

الفورمالديهايد هو أحد المركبات العضوية المتطايرة الشائعة وينبعث من الأدوات المنزلية بما في ذلك منتجات الخشب المضغوط (مثل MDF) وورق الحائط والدهانات وبعض الأقمشة الاصطناعية. بالنسبة للجزء الأكبر، تكون مستويات الفورمالديهايد المنبعثة من هذه العناصر منخفضة، ولكن يمكن أن تتراكم المستويات بمرور الوقت، خاصة في المرائب حيث من المرجح أن يتم تخزين الدهانات وغيرها من المنتجات التي ينبعث منها الفورمالديهايد.

ووفقًا لتقرير عام 2019 الصادر عن مجموعة حملة يوم الهواء النظيف، أظهر خُمس الأسر في المملكة المتحدة تركيزات ملحوظة من الفورمالديهايد، مع تجاوز 13٪ من المساكن الحد الموصى به من قبل منظمة الصحة العالمية (WHO).

وقال البروفيسور توفيق حسن من جامعة كامبريدج جرافين: “يمكن للمركبات العضوية المتطايرة مثل الفورمالديهايد أن تؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة عند التعرض لفترات طويلة حتى عند التركيزات المنخفضة، لكن أجهزة الاستشعار الحالية لا تتمتع بالحساسية أو الانتقائية للتمييز بين المركبات العضوية المتطايرة التي لها تأثيرات مختلفة على الصحة”.

وقال تشو تشن، المؤلف الأول للدراسة: “أردنا تطوير جهاز استشعار صغير ولا يستخدم الكثير من الطاقة، ولكن يمكنه الكشف بشكل انتقائي عن الفورمالديهايد بتركيزات منخفضة”.

اعتمد الباحثون على أجهزة الاستشعار الخاصة بهم على الهلام الهوائي: وهي مواد خفيفة للغاية يشار إليها أحيانًا باسم “الدخان السائل”، حيث أن أكثر من 99٪ منها عبارة عن هواء من حيث الحجم. يسمح الهيكل المفتوح للأيروجيل للغازات بالتحرك بسهولة للداخل والخارج. ومن خلال هندسة شكل الثقوب أو مورفولوجيتها بدقة، يمكن أن تعمل الهلاميات الهوائية كأجهزة استشعار فعالة للغاية.

ومن خلال العمل مع زملائهم في جامعة وارويك، قام باحثو كامبريدج بتحسين تكوين وبنية الأيروجيلات لزيادة حساسيتها للفورمالدهيد، مما يجعلها على شكل خيوط يبلغ عرضها ثلاثة أضعاف عرض شعرة الإنسان. قام الباحثون بطباعة خطوط ثلاثية الأبعاد من عجينة مصنوعة من الجرافين، وهو شكل ثنائي الأبعاد من الكربون، ثم قاموا بتجفيف عجينة الجرافين بالتجميد لتشكيل الثقوب في البنية النهائية للهلام الهوائي. تشتمل الأيروجيلات أيضًا على أشباه موصلات صغيرة تُعرف باسم النقاط الكمومية.

وكانت أجهزة الاستشعار التي طوروها قادرة على اكتشاف الفورمالديهايد بتركيزات منخفضة تصل إلى ثمانية أجزاء في المليار، وهو ما يمثل 0.4% من المستوى الذي يعتبر آمنًا في أماكن العمل في المملكة المتحدة. تعمل المستشعرات أيضًا في درجة حرارة الغرفة، وتستهلك طاقة منخفضة جدًا.

قال تشين: “تحتاج أجهزة استشعار الغاز التقليدية إلى التسخين، ولكن بسبب الطريقة التي صممنا بها المواد، تعمل أجهزة الاستشعار لدينا بشكل جيد للغاية في درجة حرارة الغرفة، لذا فهي تستخدم طاقة أقل بما يتراوح بين 10 إلى 100 مرة من أجهزة الاستشعار الأخرى”.

ولتحسين الانتقائية، قام الباحثون بعد ذلك بدمج خوارزميات التعلم الآلي في أجهزة الاستشعار. وتم تدريب الخوارزميات على اكتشاف “بصمة” الغازات المختلفة، بحيث تمكن المستشعر من تمييز بصمة الفورمالديهايد عن المركبات العضوية المتطايرة الأخرى.

قال حسن: “إن أجهزة الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة الموجودة هي أدوات غير حادة، حيث يمكنك الحصول على رقم واحد فقط للتركيز الإجمالي في الهواء”. “من خلال بناء جهاز استشعار يمكنه اكتشاف مركبات عضوية متطايرة محددة بتركيزات منخفضة للغاية في الوقت الفعلي، فإنه يمكن أن يمنح أصحاب المنازل والشركات صورة أكثر دقة عن جودة الهواء وأي مخاطر صحية محتملة.”

ويقول الباحثون إن نفس التقنية يمكن استخدامها لتطوير أجهزة استشعار للكشف عن المركبات العضوية المتطايرة الأخرى. من الناحية النظرية، يمكن لجهاز بحجم كاشف أول أكسيد الكربون المنزلي القياسي أن يشتمل على أجهزة استشعار مختلفة متعددة بداخله، مما يوفر معلومات في الوقت الفعلي حول مجموعة من الغازات الخطرة المختلفة. وقال المؤلف المشارك البروفيسور جوليان جاردنر من جامعة وارويك: “في وارويك، نقوم بتطوير منصة متعددة أجهزة الاستشعار منخفضة التكلفة ستدمج مواد الهلام الهوائي الجديدة هذه، إلى جانب خوارزميات الذكاء الاصطناعي، وتكتشف المركبات العضوية المتطايرة المختلفة”.

“من خلال استخدام مواد مسامية للغاية كعنصر استشعار، فإننا نفتح طرقًا جديدة تمامًا للكشف عن المواد الخطرة في إلكتروناتنا.