Bayangkan robot yang dapat mendeteksi bau di udara dan melacak sumbernya seefisien anjing atau tikus.

Jika terwujud, robot ini dapat mendeteksi kebakaran hutan kecil di hutan lebat, menemukan orang yang terkubur di reruntuhan setelah gempa bumi, atau bahkan berburu truffle.

Tim peneliti telah membawa visi ini selangkah lebih dekat ke kenyataan, dengan menciptakan hidung elektronik kompak yang mampu mengidentifikasi bau dalam hitungan milidetik.

Penelitian ini tujuannya adalah untuk mengeksplorasi indra penciuman buatan ini, dan menguji seberapa cepat kita dapat mengekstrak informasi berharga tentang lingkungan dari udara.

Tim peneliti menunjukkan bahwa "kecepatan penciuman" menyamai dan terkadang bahkan melebihi kecepatan mamalia. Penelitian ini dipublikasikan di Science Advances.

Lanskap bau yang kompleks dan informatif

Hewan merasakan bau dengan sangat cepat, dan kemampuan ini telah berevolusi selama jutaan tahun untuk mengoptimalkan peluang mereka untuk bertahan hidup. Namun, mengapa kecepatan seperti itu diperlukan?

Jawabannya terletak pada sifat kompleks dari bagaimana bau bergerak di udara.

Berbeda dengan apa yang Anda kira, bau tidak akan terus melemah saat Anda menjauh dari sumbernya ke tempat bau tersebut terdeteksi.

Sebaliknya, pergerakan udara menciptakan lingkungan yang sangat kacau tempat bau menyebar dalam gumpalan tidak teratur yang dapat berlangsung sangat singkat dan berjarak dari waktu ke waktu.

Gumpalan ini dibentuk oleh campuran dinamika udara turbulen skala kecil dan besar, termasuk pergeseran angin dan difusi molekuler, serta oleh kondisi batas lingkungan.

Memahami gumpalan bau ini sangat penting bagi hewan. Setiap pertemuan singkat dengan suatu bau dapat membawa informasi yang berharga.

Misalnya, dengan menganalisis waktu dan frekuensi semburan bau ini, seekor hewan dapat memperkirakan seberapa jauh jaraknya dari sumbernya.

Jika hewan tersebut memperhatikan bahwa dua bau yang berbeda selalu muncul bersamaan, itu bisa berarti sumbernya berada dalam jarak yang dekat satu sama lain.

Variasi dalam konsentrasi semburan ini juga dapat mengisyaratkan ukuran dan penyebaran gumpalan bau.

Petunjuk halus ini membantu hewan membuat keputusan lebih cepat tentang tempat mencari makanan, menghindari predator, atau menemukan pasangan.

Namun, untuk membuka informasi ini, sistem sensorik dan saraf mereka harus cukup cepat untuk menangkap dan memproses perubahan cepat ini dalam lanskap bau.

Kecepatan penciuman pada hewan dan mesin

Kecepatan hewan dalam mendeteksi dan bereaksi terhadap bau bervariasi menurut spesies.

Serangga seperti belalang dan lalat buah memproses sinyal bau hanya dalam beberapa milidetik, membantu mereka bergerak dan bereaksi terhadap lingkungan mereka dengan mudah.

Nyamuk dapat mendeteksi semburan kecil karbon dioksida sesingkat 30 milidetik, itulah sebabnya mereka menemukan Anda dengan mudah di malam hari.

Mamalia dulunya dianggap memiliki deteksi bau yang lebih lambat, tetapi penelitian terbaru menunjukkan sebaliknya.

Sebuah penelitian penting pada tahun 2021 mengungkapkan tikus dapat membedakan bau dari sumber yang tercampur dan terpisah hanya dalam hitungan milidetik.

Sebuah makalah yang diterbitkan bulan lalu menemukan bahwa bahkan manusia dapat membedakan antara aroma yang berbeda yang tercium hanya dalam waktu 60 milidetik.

Meskipun ada sensor bau yang cepat—perangkat seperti detektor foto-ionisasi—perangkat tersebut terlalu besar, boros daya, dan sering kali tidak cukup selektif untuk digunakan pada robot.

Perangkat yang dikembangkan kini menjembatani kesenjangan ini.

Tim peneliti menemukan bahwa perangkat ini dapat mengidentifikasi bau secara akurat dalam waktu singkat hingga 50 milidetik.

Lebih dari itu, perangkat ini dapat menguraikan pola antara bau yang berganti hingga 40 kali per detik, yang serupa dengan apa yang dapat dilakukan tikus saat mereka melakukan tugas pemisahan sumber.

Ini berarti perangkat kami dapat "mencium" dengan kecepatan yang sama dengan hewan.

Bagaimana melakukannya?

Hidung elektronik ini dibangun di atas papan sirkuit berlapis-lapis yang sedikit lebih kecil dari kartu kredit.

Perangkat ini dilengkapi dengan beberapa sensor gas oksida logam serta sensor suhu dan kelembapan.

Yang membedakan perangkat kami dari yang lain adalah penggunaan elektronik canggih yang dapat mengambil sampel dan mengendalikan sensor ini dengan sangat cepat dan tepat, serta algoritma dan metode pemrosesan yang dirancang khusus.

Sensor bekerja dengan mengubah sifat listriknya berdasarkan bagaimana berbagai gas bereaksi dengan lapisan oksida di permukaan.

Bagian penting untuk membuat sensor begitu responsif adalah memanaskan lokasi penginderaan kecil hingga beberapa ratus derajat.

Di udara yang bergejolak, suhu sensor cenderung berfluktuasi, yang membuat deteksi dan identifikasi bau menjadi lebih sulit.

Dengan terus-menerus mengukur dan menyesuaikan ulang suhu dengan tingkat presisi yang tinggi, peneliti memperoleh respons sensor yang sangat sensitif yang dapat mendeteksi perubahan bau yang kecil dan cepat sekalipun.

Peneliti juga menemukan bahwa dengan cepat mengganti suhu antara 150°C dan 400°C sekitar 20 kali per detik menghasilkan pola data yang cepat dan khas yang memudahkan identifikasi bau tertentu.

Pendekatan ini memungkinkan perangkat kami untuk menangkap bau dengan kecepatan dan akurasi yang luar biasa.

Aplikasi dan dampak

Melengkapi robot dengan sensor bau yang cepat akan memungkinkan mereka untuk mendeteksi dan bereaksi terhadap isyarat lingkungan secara real time.

Hal ini akan memungkinkan navigasi dan pengambilan keputusan yang lebih efisien dalam skenario yang menantang, sehingga membuka peluang bagi banyak aplikasi yang menjanjikan.

Misalnya, deteksi dini kebakaran hutan dapat menghemat gigaton emisi karbon dioksida. Metode deteksi konvensional seperti satelit dan pesawat hanya mendeteksi kebakaran setelah mencapai ukuran yang signifikan.

Kebakaran yang terjadi di bawah tajuk hutan atau di balik awan dapat terlewatkan sama sekali.

Drone yang dilengkapi dengan hidung elektronik yang cepat dapat mengubah hal tersebut dengan berpatroli di hutan, mengidentifikasi gumpalan asap kecil, lalu menavigasi dan melokalisasi sumbernya.

Dengan ini, area yang luas dapat dijangkau secara efisien dan kebakaran dapat dideteksi sebelum menjadi tidak terkendali.

Aplikasi penting lainnya dapat ditemukan dalam respons bencana. Setelah gempa bumi atau bangunan runtuh, menemukan korban dengan cepat sangatlah penting.

Robot penciuman yang dilengkapi dengan hidung elektronik yang cepat dapat memainkan peran penyelamatan nyawa dengan mendeteksi tanda-tanda aroma unik manusia yang terperangkap di bawah reruntuhan.

Dengan memindai lingkungan yang kompleks secara cepat dan mengidentifikasi jejak aroma manusia, robot-robot ini dapat memandu tim penyelamat ke korban lebih cepat daripada metode tradisional, sehingga meningkatkan peluang untuk bertahan hidup.

Bagaimana dengan truffle? Mungkin suatu hari, robot kami dapat menyaingi babi pemburu truffle, membuktikan bahwa teknologi pun punya indra untuk menyantap hidangan lezat. (kpo)