E-Nose & E-Sensory นาโนเซ็นเซอร์ จับกลิ่น สี รส

จมูกใครที่ว่าแน่ ยังไม่อาจดมกลิ่นและวิเคราะห์ข้อมูลออกมาได้แม่นยำเหมือน “เครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ (E-Nose)” นวัตกรรมที่นักวิจัยนาโนเทคพัฒนาขึ้นเลียนแบบจมูกมนุษย์ โดยพัฒนา “นาโนเซ็นเซอร์” ที่สามารถตรวจจับกลิ่น สี รส และถ่ายทอดเทคโนโลยีสู่ผู้ใช้จริง ในอุตสาหกรรมถุงมือยางธรรมชาติ ธุรกิจเบเกอรี่ รวมถึงการควบคุมคุณภาพอากาศในโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ สร้างผลกระทบทางเศรษฐกิจมากกว่า 7 พันล้านบาท

 

ดร.รุ่งโรจน์ เมาลานนท์ ห้องปฏิบัติการทีมวิจัยวิศวกรรมกระบวนการและระบบตรวจติดตาม กลุ่มวิจัยการวิเคราะห์ระดับนาโนขั้นสูงและความปลอดภัย ศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ (นาโนเทค) สำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) กล่าวว่า E-Nose หรือ เครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พัฒนาขึ้นมาจากการเลียนแบบจมูกมนุษย์ โดยประยุกต์ใช้ระบบประมวลผล Principal Component Analysis หรือ PCA ซึ่งเป็นโปรแกรมที่สามารถนำมาใช้สร้างเงื่อนไขหรือขอบเขตในการวิเคราะห์กลิ่นเพื่อใช้ในการเปรียบเทียบกลิ่นที่กำลังตรวจสอบกับกลิ่นเดิมที่ได้เคยบันทึกไว้

ด้วยเทคนิคการวิเคราะห์นี้ การนำพากลิ่นจะเป็นไปตามลักษณะจำเพาะของกลิ่นเอง ผลการวัดจึงใกล้เคียงสภาพความเป็นจริงที่จมูกมนุษย์ได้รับ ทั้งยังช่วยลดความซับซ้อนในการควบคุมการนำพากลิ่นจากระบบปั๊ม อีกทั้งยังง่ายและสะดวกกับผู้ใช้งานเครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ในการแปรผลการวิเคราะห์ข้อมูล ซึ่งจะมีข้อแตกต่างเมื่อเปรียบเทียบกับการใช้งานเครื่อง Gas Chromatography (GC) ที่ใช้หลักการวิเคราะห์ผลในเชิงปริมาณที่มีความแม่นยำแต่ต้องอาศัยบุคลากรที่มีความเชี่ยวชาญในการแปรผล และใช้เวลาในการทดสอบที่นานกว่ามาก ซึ่งเครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์จะใช้หลักการวิเคราะห์ในเชิงคุณภาพที่ดูแพทเทิร์นของแต่ละกลิ่นจดจำไว้เพื่อทำการเปรียบเทียบความเหมือนกันหรือต่างกันของกลิ่น ที่คล้ายกับการจดจำกลิ่นของมนุษย์ที่ไม่จำเป็นต้องรู้ว่าในกลิ่นนั้นประกอบด้วยองค์ประกอบของสารชนิดใด

จมูกอิเล็กทรอนิกส์มีส่วนประกอบสำคัญ 2 ส่วน คือ หัวก๊าซเซ็นเซอร์ที่เป็นโครงสร้างระดับนาโน ทำหน้าที่ตรวจจับสาร โดยมีความไวต่อสารเคมีระเหยแต่ละชนิดต่างกันหลายตัว เมื่อโมเลกุลของสารเคมีระเหยเกาะกับหัววัด สัญญาณไฟฟ้าในวงจรจะเปลี่ยนแปลงไปเนื่องจากความต้านทานที่เปลี่ยนไปของหัววัด สำหรับส่วนประกอบหลักอีกส่วน คือ หน่วยประมวลผลที่ทำหน้าที่วิเคราะห์สัญญาณ และเก็บรวบรวมข้อมูลจากการทดสอบกับกลิ่นตัวอย่าง นำมาสร้างขอบเขตฐานข้อมูลของกลิ่น เพื่อนำไปใช้ในการคำนวณเปรียบเทียบระยะขจัดของกลิ่นที่นำมาทดสอบจากค่าเฉลี่ยของฐานข้อมูลกลิ่นที่บันทึกไว้ และสรุปว่า กลิ่นที่นำมาทดสอบนั้นเป็นกลิ่นเดียวกับฐานข้อมูลที่เก็บบันทึกไว้หรือไม่

เครื่องจมูกอิเล็กทรอนิกส์ ตรวจสอบกลิ่นแบบพกพา ถูกพัฒนาเป็นเครื่องต้นแบบจมูกอิเล็กทรอนิกส์ดังกล่าว และนำไปประยุกต์ใช้งานใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ ทั้งภาครัฐและเอกชน เพื่อใช้ควบคุมและตรวจสอบคุณภาพของวัตถุดิบและผลิตภัณฑ์ ซึ่งผลพบว่า ประสิทธิภาพความแม่นยำของเครื่องในการตรวจวัดกลิ่นตัวอย่างเปรียบเทียบกับกลิ่นต้นแบบมีความแม่นยำในจำแนกกลิ่นได้มากกว่า 80%

ในขณะเดียวกัน ก็เกิดการต่อยอดสู่ อี-เซนซอรี (E-Sensory) เครื่องมือที่นักวิจัยนาโนเทค ออกแบบและประดิษฐ์ขึ้นให้มีกลไกการทำงานเหมือนโปรแกรมหุ่นยนต์ที่ชาญฉลาด ใช้เซ็นเซอร์เป็นหัววัดรสชาติอาหาร เหมือนนักชิมอาหาร ทำหน้าที่ตรวจวัดกลิ่น สี รสชาติตลอดจนส่วนผสมในอาหาร และยังใช้โปรแกรมสถิติและคณิตศาสตร์ สำหรับการออกแบบการทดลองและการวิเคราะห์ข้อมูลทางเคมี หรือเคโมเมตริกส์ เพื่อพัฒนาอุปกรณ์สำหรับบ่งบอกค่าเชิงกึ่งปริมาณของกลิ่น รสชาติ และสี รวมทั้งสารปรุงแต่งในอาหาร

ดร.รุ่งโรจน์ อธิบายว่า หลักการทำงานของเครื่อง E-Sensory จะประมวลผลจากสัญญาณที่เกิดขึ้นบนหัวเซ็นเซอร์อาร์เรย์ เลียนแบบการรับรู้ทางระบบประสาทและประมวลผลทางด้านกลิ่นและรสชาติของมนุษย์ ประกอบด้วยเทคโนโลยี 3 ส่วนย่อยเข้าด้วยกัน ได้แก่ จมูก ใช้เซ็นเซอร์ตรวจวัดกลิ่น (Electronic nose) ลิ้น ใช้เซ็นเซอร์ตรวจวัดรสชาติ (Electronic tongue) และตา ใช้เซ็นเซอร์ตรวจวัดสี (Electronic eye) โดยเลียนแบบการรับรู้ทางประสาทสัมผัสและการประมวลผลของมนุษย์ จากนั้นจะแปรสัญญาณการตรวจจับเป็นสัญญาณไฟฟ้า และระบบสามารถบ่งชี้รสชาติโดยการวิเคราะห์กลิ่น พื้นผิว และองค์ประกอบของอาหารชนิดตัวอย่าง ด้วยการเปรียบเทียบสัญญาณที่มีลักษณะเฉพาะกับฐานข้อมูลที่เก็บไว้

การใช้งานของ E-Nose และ E-Sensory สามารถประยุกต์ใช้ได้ในหลายอุตสาหกรรม เช่น อุตสาหกรรมถุงมือยางธรรมชาติ ที่บริษัท ศรีตรัง โกลฟส์ จำกัด ใช้ E-Nose ในการควบคุมคุณภาพตามมาตรฐานส่งออก ลดการสูญเสียและป้องกันสินค้าถูกตีกลับจากกลิ่นยางธรรมชาติ หรืออุตสาหกรรมเบเกอรี่ที่บริษัท ซีพีแรม จำกัด ใช้E-Nose เพื่อควบคุณคุณภาพกลิ่นในผลิตภัณฑ์เบเกอรี่ และE-Sensory เพื่อควบคุมคุณภาพทางประสาทสัมผัส กลิ่น สี และรสชาติ ทำให้สามารถตรวจสอบอายุการเก็บรักษาของสินค้า (shelf life) และควบคุมคุณภาพของวัตถุดิบ รวมถึงบรรจุภัณฑ์ของเบเกอรี่ที่จะวางจำหน่ายในร้านสะดวกซื้อของบริษัทฯ อีกด้วย

“นอกจากนี้ E-Nose ยังต่อยอดวิจัยเพื่อตรวจวัดคุณภาพอากาศ ดูปริมาณสารเคมีในนั้น รวมถึงโครงการที่กำลังเดินหน้าตรวจวิเคราะห์ฝุ่นละอองในอากาศเพื่อติดตามปัญหาฝุ่นในภาคเหนือในปี 2563 อีกด้วย” ดร.รุ่งโรจน์แย้ม

E-Nose & E-Sensory สร้างผลกระทบทางเศรษฐกิจรวม 7,211 ล้านบาท (ปี 2560-2562) และ 1,753.6 ล้านบาทสำหรับปี 2562 โดยมีสิทธิบัตรรวม 5 เรื่อง อนุญาตใช้สิทธิแล้ว 4 เรื่อง ได้แก่

  1. สิทธิบัตร (1601005877) เซ็นเซอร์ตรวจวัดสารระเหย
  2. สิทธิบัตร (1501006001) วิธีการและเครื่องมือตรวจวัดดัชนีชี้วัดมาตรฐานรสชาติ
  3. สิทธิบัตร (1001000739) วิธีการและอุปกรณ์ตรวจจับสีเชิงคุณภาพของวัตถุที่ใช้วิธีดังกล่าว
  4. สิทธิบัตร (0801004238) วิธีการตรวจจับกลิ่นและเครื่องตรวจวัดกลิ่นที่ใช้วิธีการดังกล่าว
  5. สิทธิบัตร (1301006670) วิธีการตรวจวัดก๊าซและสารระเหยกับอุปกรณ์เซ็นเซอร์ที่ใช้วิธีการดังกล่าว