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Electronic Noses The electronic nose is a device developed to reproduce thehuman olfactory system. It can be applied to differentsectors: food processing, environment, biomedicine,aerospace, safety and industry. ENEA develops electronicnoses, one of which is being tested for monitoring aseismic site near Naples

Nasi elettronici Girolamo Di FranciaGianbattista BurrascaSaverio De VitoEttore Massera

ENEA, Dipartimento Tecnologie Fisiche e Nuovi Materiali

ENERGIA, AMBIENTE E INNOVAZIONE 1/2009 76

Il naso elettronico èun’apparecchiatura che tentadi simulare il funzionamentodel sistema olfattivo deimammiferi e che trovaapplicazione in diversi settori:agroalimentare, ambientale,biomedico, aerospaziale, dellasicurezza, dei processiindustriali. L’ENEA èimpegnato nello sviluppo dinasi elettronici, uno dei qualiè utilizzato per ilmonitoraggio di un sitosismico presso Napoli


a quelle animali: solo il 6% di quelle di uncane ed appena il 3% rispetto a quelle delconiglio. Non vi è dubbio dunque che il rapportotra cervello ed olfatto sia molto più profon-do di quanto normalmente si pensi. Se, adesempio, entriamo in una casa e sentiamo,senza alcuna sollecitazione visiva, l’odoredel caffè oppure del ragù, il nostro cervel-lo recupera la “registrazione” di quegliodori sollecitando al contempo il deside-rio. È interessante osservare che siccomespesso quelle registrazioni sono associatea situazioni di relax, l’industria sta cercan-do di riprodurre artificialmente quegli odo-ri in modo da poterli riproporre in situa-zioni tali da rilassare il consumatore, facili-tandone, ad esempio, gli acquisti. Eppure, forse proprio perché in un certosenso non pienamente in nostro control-lo, gli esseri umani hanno trascurato la fun-zione olfattiva. Così, in questi anni di rapi-do progresso scientifico e tecnologico, ab-biamo imparato a realizzare sistemi di va-ria natura per registrare immagini e suo-ni, sistemi che ci sono ormai così familiarida essere diffusissimi (si pensi ad esempio alcellulare), ma praticamente non è ancoradisponibile commercialmente alcun siste-ma di registrazione dell’olfatto. In effetti,per anni la ricerca scientifica ha cercato direalizzare sistemi olfattivi artificiali (comu-nemente noti come Nasi elettronici o e-nose), cercando di mimare il sistema olfat-tivo naturale. Ma ancora oggi la ricercanon è riuscita appieno nel suo obiettivo equesto anche perchè una teoria completadi come funzioni l’olfatto nell’uomo nonè ancora disponibile.

I sistemi olfattivi artificiali: una breve storia

Comunque sia è certo che la storia dei si-stemi olfattivi artificiali, che sarà descritta

L’olfatto, tra tutti i sensi dell’uomo, è sen-za dubbio quello meno controllabile. Sipossono chiudere gli occhi e la bocca, tap-parsi le orecchie e perfino evitare ogni con-tatto con il corpo. Ma il naso non possia-mo tenerlo a freno: dobbiamo respirare.Ed è proprio questo sfuggire della funzio-ne olfattiva al controllo volontario, che neaccentua le intrinseche caratteristiche disenso dell’allarme, negli animali come ne-gli uomini, in grado di svolgere la peculia-re funzione di sorveglianza in maniera qua-si automatica. Ed è probabilmente proprioper questo che alcune culture considera-no il naso come la porta, sempre aperta,con la quale l’uomo interagisce con il mon-do intorno a lui. E proprio da questa porta entrano, in ma-niera, appunto, spesso involontaria, solle-citazioni emotive di tutti i tipi, fin dalla na-scita. È infatti l’olfatto, pare, il primo lega-me del neonato con la propria madre. Equindi, prima di tutti gli altri sensi, l’uomoimpara a registrare profumi, aromi, odoripiù o meno gradevoli. La parte del cervel-lo che è associata a questa funzione è il si-stema limbico che è posizionato all’incircatra i due lobi temporali ed il cui effetto,sul comportamento degli esseri umani, èdecisamente potente poiché ad esso sonoassociate primarie funzioni cerebrali comela memoria, l’umore, le emozioni. Dunqueesso consente, attraverso l’esperienza, lostabilirsi di un corretto rapporto tra il no-stro essere e l’ambiente esterno. Proprioperciò non appare affatto sorprendenteche le disfunzioni olfattive possano essereindice di diverse patologie cerebrali: mor-bo di Parkinson, di Alzheimer, schizofre-nia, autismo ecc. e che l’ambiente olfattivoin cui si è immersi possa addirittura contri-buire allo scatenarsi di patologie come èad esempio il caso dell’emicrania o dell’an-sia. E tutto ciò nonostante le nostre capa-cità olfattive siano molto limitate rispetto

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da J.W. Gardner e W. Gopel con i loro ri-spettivi gruppi. Dopo gli entusiasmi iniziali divennero benchiare le limitazioni del naso elettronico,legate principalmente alla difficoltà di ot-tenere sensori specifici e stabili per un nu-mero sensibilmente alto di sostanze comequelle rilevate dai neuroni olfattivi. L’inge-gnerizzazione dell’architettura si concen-trò sulla specializzazione dell’apparato perun campo applicativo ben specifico all’in-terno del quale fosse possibile sfruttare almeglio le capacità dell’array di sensori pre-scelto. Non bisogna dimenticare infatti, nelparagonare l’olfatto artificiale a quello na-turale, che sebbene il secondo sia dotatodi un numero di recettori capaci di appor-tare informazioni significative e selettivemolto maggiori, è possibile fabbricare edutilizzare dei rivelatori ad hoc per sostanzeai quali nessun naso biologico, umano odanimale, è sensibile. Un classico esempio èdato dall’ossido di carbonio la cui rileva-zione non era di alcun significato evolutivoprima della scoperta del fuoco, talché nes-sun rilevatore biologico è stato messo apunto per esso. In questi 25 anni di storia, alcuni gruppiitaliani hanno validamente contribuito al-lo sviluppo dei nasi elettronici ed almenoquattro di questi, tra cui il gruppo sensoridel Centro Ricerche ENEA di Portici (Na),hanno sviluppato ed operano in manieracontinuativa una propria unità naso elet-tronico, la cui efficacia è stata sperimenta-ta in molteplici scenari applicativi. Alcune diqueste piattaforme di ricerca hanno poidato luogo allo sviluppo, da parte di azien-de partner, di moduli commerciali italianiquali ad esempio il modulo SACMI EOS835sviluppato in partnership con l’Universitàdi Brescia e quello Technobiochip Lybrano-se sviluppato a partire dagli studi effettua-ti all’Università Roma Tor Vergata. Proprionel 25° anno dalla pubblicazione dell’arti-colo originale di K. Persaud e G. Dodd, l’E-


più in dettaglio nel seguito, è veramentebreve se paragonata con la storia dei siste-mi di registrazione visiva o acustica. È co-munque difficile, come spesso succede inquesti casi, individuare una vera e propriadata di nascita per ciò che attualmente vie-ne definito naso elettronico. Una serie dirisultati e contributi innovativi quale la rea-lizzazione del primo sensore a stato soli-do da parte di Hartman e la costruzionedi un array di termistori rappresentano labase tecnologica per il suo sviluppo. Nella comunità scientifica, si fa risalire lanascita del naso elettronico ai primi anni’80, quando K. Persaud and G. Dodd, allo-ra al Dipartimento di Biochimica dell’Uni-versità di Warwick, tentarono di modella-re e simulare il funzionamento del siste-ma olfattivo dei mammiferi sulla base dielementi sensibili a stato solido. I sensoridisponibili allora erano prevalentementebasati su ossidi metallici ed erano affettiin maniera rilevante da mancanza di selet-tività e stabilità. Ciò nonostante essi riusci-rono nell’intento di discriminare tra circa20 odori differenti utilizzando 3 sensori edifferenziando visivamente le configura-zioni di risposta di questi. Contemporanea-mente un gruppo di ricercatori dell’Argon-ne National Laboratory (Chicago, IL) svi-lupparono uno strumento basato su un ar-ray di sensori di gas chiamato CPS (Chemi-cal parameter spectrometry), il cui scopodoveva essere la rilevazione di sostanzepericolose nell’ambito del trasporto marit-timo. In ogni caso, il termine naso elettro-nico divenne comune soltanto a cavallo trala fine degli anni ‘80 e l’inizio degli anni‘90, quando vennero depositati alcuni si-gnificativi brevetti ed una prima conferen-za NATO tenutasi in Islanda nel 1991 di-venne una pietra miliare per lo sviluppo diquesti sistemi. Fondamentale per la diffu-sione e l’evoluzione dell’architettura fu illavoro di ingegnerizzazione, approfondi-mento tecnologico e divulgazione svolto

Girolamo Di Francia, Gianbattista Burrasca, Saverio De Vito, Ettore Masserast

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mero limitato (qualche decina) di senso-ri anche se si è tentata l’utilizzazione diarray contenenti fino ad un centinaio dielementi sensibili. Si tratta comunque an-cora di sperimentazioni preliminari che sibasano sulla ridondanza dell’informazio-ne e l’utilizzo di algoritmi di selezione deisensori rilevanti per ogni applicazione. Inquesti casi resta infatti invariato il proble-ma della difficoltà di integrare un nume-ro alto di sensori con la sicurezza che que-sti apportino effettivamente un contribu-to informativo aggiuntivo. In questo sen-so durante gli anni sono state introdottesoluzioni volte ad aumentare il contenu-to informativo prodotto dal singolo sen-sore come l’utilizzo ad esempio della ter-mo-modulazione nei sensori ad ossidometallico per indurre e sfruttare differen-ti selettività e sensibilità riscontrabili a dif-ferenti temperature.Recentemente alcuni autori hanno propo-sto l’integrazione di sistemi di preconcen-trazione e/o separazione delle componen-ti volatili utilizzando tecnologie di adsor-bimento/desorbimento termocontrollato

NEA, nel contesto del congresso dell’Asso-ciazione Italiana Sensori e Microsistemi, haorganizzato un’esposizione di tutti i nasielettronici commerciali e di ricerca sviluppa-ti in Italia.

Architetture di nasi elettronici

L’architettura di base di un naso elettroni-co consta di 3 parti: 1. il sistema di somministrazione del cam-

pione da analizzare; 2. il sistema di rivelazione; 3. il sistema di analisi che elabora i dati pro-

venienti dalla matrice di sensori. Il cuore dell’apparato è, evidentemente, ilsistema di rivelazione, generalmente co-stituito da una matrice di sensori a statosolido che reagiscono alla presenza dell’a-nalita target nel campione somministratoattraverso la variazione di un qualche pa-rametro chimico-fisico e traducono questavariazione in un segnale elettrico. Questaarchitettura di base, benché rimasta so-stanzialmente invariata nelle sue parti fon-damentali, si è però specializzata nel tem-po, in funzione dei diversi scenari applica-tivi, per ottimizzare le prestazioni otteni-bili dal naso [Wei01].Nel tempo infatti, sono state introdottearchitetture incentrate su array di microbilance al quarzo piuttosto che su senso-ri basati su polimeri conduttivi e non,mentre altre si basano invece su sensoriottici od elettrochimici. Corrispondente-mente, anche i sistemi di campionamentosi sono evoluti, passando da sistemi so-stanzialmente a campionamento statico,dove lo spazio di testa di un campione ve-niva posto in contatto con i sensori perun tempo variabile da pochi secondi a de-cine di minuti, a sistemi a campionamen-to dove l’atmosfera da analizzare vieneinviata in flusso continuo sugli elementisensibili. In termini generali la maggiorparte dei sistemi contiene ancora un nu-

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Figura 1Terza generazione del naso elettronico svi-luppato dalla NASA nei laboratori JPL. Ilprototipo misura circa 30 cm di lunghez-za per 10 di larghezza mentre è alto po-co più di 5 cmFonte: NASA/JPL-Caltech

ti sviluppati spesso per analisi di tipo qua-litativo su prodotti alimentari, mentre mo-duli SAW o utilizzanti sensori elettrochi-mici sono più usati per applicazioni indu-striali. Infine è da rilevare come, mentrela maggior parte delle aziende possiedeuna sola soluzione architetturale specia-lizzata, altre hanno invece sviluppato neltempo più linee architetturali specializza-te per differenti applicazioni, riuscendocosì a proporre differenti sistemi dotatiognuno del mix di sensori più adatto. Commercialmente i nasi elettronici hannoancora costi assai elevati. Per la maggiorparte si tratta di unità il cui costo si atte-sta sui 15.000 d, con una forbice che va dai10.000 ai 100.000 d.

Le applicazioni

Le principali applicazioni del naso elettro-nico hanno riguardato l’analisi qualitati-va e la discriminazione in ambito sicurez-za alimentare e antifrode come la rileva-zione del deterioramento delle derrate, oil rilevamento di sostanze adulteranti. Suc-cessivamente, un cospicuo numero di la-vori si è concentrato sulla rilevazione dimiscele esplosive e gas tossici in chiave si-curezza militare e civile. Sulla base dei mi-glioramenti prestazionali ottenuti le ar-chitetture a naso elettronico sono staterecentemente impiegate anche in proble-mi di quantificazione della concentrazionedi analiti all’interno di miscele olfattive,dando luogo a diverse applicazioni nel-l’ambito del monitoraggio ambientale.Fra le istituzioni che hanno maggiormen-te contribuito allo sviluppo di nasi elettro-nici per applicazioni ambientali troviamoil JPL della NASA, che persegue lo sviluppodi un naso elettronico capace di individua-re sostanze tossiche e componenti volati-li che possano segnalare avarie nei modu-li spaziali. Uno dei loro primi prototipi ope-rativi ha volato durante la missione STS-


o colonne gascromatografiche. Tali siste-mi si prefiggono di aumentare la sensibi-lità e la specificità del sistema complessi-vo. La ricerca di base invece ci propone dapoco il tentativo di utilizzare sensori pro-venienti direttamente dal mondo anima-le, in particolare da insetti, quali la Dro-sophila Melanogaster, integrandoli in unarchitettura di naso elettronico. Altre li-nee di ricerca spingono verso l’integrazio-ne di un numero molto elevato di sensoriaccoppiato a sistemi di separazione similia quelli gascromatografici ma operanti intre dimensioni così da simulare la compo-nente meccanica dell’olfatto dei mammi-feri fino a formare una sorta di mucosa ol-fattiva artificiale.I nasi elettronici oggi venduti nascono spe-cializzati per una certa applicazione, masoffrono per un duplice problema: il co-sto elevato e la complessità operativa le-gata in particolare alla fase di addestra-mento del naso stesso (vedi paragrafo suc-cessivo). Di conseguenza il numero delleunità vendute è piuttosto basso. In effet-ti, uno dei nasi elettronici più venduti èdotato di soli due sensori e, di fatto, è pro-gettato per stimare la qualità dell’aria inambienti chiusi in connessione con un si-stema HVAC (condizionamento ventila-zione e riscaldamento) a fini del control-lo automatico dello stesso. La soluzionecommerciale apparentemente più com-plessa è basata sull’uso di 38 sensori dif-ferenti ad ossidi metallici integrati nel chipKamina sviluppato dal politecnico di Karl-sruhe. La maggior parte dei sistemi com-merciali presenti si basano su sensori adossidi metallici e SAW mentre la diffusionedi moduli basati su polimeri conduttivi èdecisamente inferiore. In questa classe tro-viamo anche il notevole dispositivo por-tatile Cyranose basato sugli studi NASA/JPLche è stato sviluppato per la rilevazionedi minacce gassose alla sicurezza. Modulibasati su microbilance al quarzo sono sta-


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applicazioni si sono sviluppate piccoleaziende che producono e commercializ-zano nasi elettronici fortemente specializ-zati, tanto che si può già parlare a tutti glieffetti di un reale mercato per questo pro-dotto. Il suo valore è stato, nel 2000 (uni-co dato certificato), pari a circa 8 M$ men-tre una stima ragionevole per l’anno 2005è di circa 16 M$. Le stime del mercato diquesto prodotto, per gli anni a venire, di-pendono in gran parte dalla risoluzionedi alcuni problemi di ricerca e sviluppo. Adesempio, non è stata selezionata una tec-nologia specifica per i sensori ed il consu-mo complessivo del naso è ancora troppoelevato per architetture integrate ed appli-cazioni wireless, scelte strategiche crucia-li per questa classe di prodotti. La forbicedi valutazione del mercato al 2009 è per-ciò molto ampia, oscillando tra 20 M$ ed i300 M$.

95 al fine di testare il livello prestaziona-le raggiunto. Forse la più interessante del-le recenti applicazioni riguarda l’utilizzodel naso elettronico per applicazioni dia-gnostiche in medicina. Un numero signi-ficativo di gruppi di ricerca si sta concen-trando infatti sullo studio della possibilitàdi utilizzare il naso elettronico al fine dieffettuare diagnosi precoci, veloci, pocoinvasive e poco costose di differenti pato-logie tra cui citiamo ad esempio le neo-plasie polmonari o della mammella, alcu-ni tipi di affezioni batteriche polmonari edell’apparato urogenitale [Tur01]. Seppu-re ancora oggetto di ricerca, talvolta fon-damentale, i nasi elettronici suscitano for-ti interessi industriali. Nella tabella 1 sonoriportate, suddivise per settore, le appli-cazioni che hanno sperimentato l’utilizzodei nasi elettronici fino ad oggi sviluppati.In qualche caso, proprio intorno a queste

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Tabella 1 - Nasi Elettronici: settori di utilizzo ed applicazioni

Settore Applicazione/Funzione

Agroalimentare/zootecnia • Tracciabilità dei cibi• Antisofisticazione• Controllo ambientale in serre• Controllo ambientale in allevamenti

Ambientale • Controllo dell’inquinamento in città• Controllo dell’inquinamento in ambienti chiusi (IAQ)• Controllo delle emissioni nocive o moleste• Sorveglianza di aree vulcaniche• Controllo delle acque potabili ed industriali

Biomedicale • Diagnostica precoce di varie patologie• Controllo automatico dello stato di salute in pazienti non autosufficienti

Controllo processi Industriali • Controllo di qualità del prodotto e del processo di fabbricazionein industrie di: packaging, alimentari, trasporti

• Controllo del livello di pulizia• Formulazione di nuovi prodotti

Aerospaziale • Controllo dell’aria in cabina ed in stazioni spaziali

Sicurezza • Sorveglianza di luoghi potenzialmente rischiosi per l’uomo• Detection di esplosivi• Detection di droghe

Fonte: ENEA

elettronico senza dover procedere simul-taneamente alla messa a punto di uno opiù sensori progettati ad hoc.Spesso la scelta dei sensori verte su disposi-tivi poco selettivi: il diverso comportamen-to della risposta di ognuno alle variazioniambientali permetterà di ricostruire l’“im-pronta olfattiva” dell’ambiente stesso eseguirne l’evoluzione nel tempo. In ognicaso, ciascuno dei sensori utilizzati, così co-me l’insieme degli stessi, andrà calibratoverso la sostanza target o un composto si-milare. Il passo successivo è la costituzione di unopportuno dataset ottenuto registrandole risposte dell’array a miscele degli ana-liti significativi. La calibrazione dell’arraydi sensori viene poi effettuata utilizzan-do tecniche di analisi multivariata della ri-sposta ottenuta, alcune delle quali sonomutuate dalla disciplina della Pattern Re-cognition. Ancora oggi, comunque, unadelle tecniche più utilizzate per la valuta-zione esplorativa della risposta dei nasielettronici è la Principal Component Analy-sis (PCA). Pur non essendo direttamenteorientata alla discriminazione tra classi dirisposte (per esempio oli di oliva di prove-nienza geografica differente) essa forni-sce spesso anche una valutazione prima-ria sulle capacità dell’array di sensori delnaso elettronico di associare ad un pat-tern di risposta, la classe corrispondente.Nella fase esplorativa, la PCA è tipicamen-te accompagnata da altre tecniche di Clu-ster Analysis. In seguito, la fase di addestramento effet-tivo mira alla definizione di sistemi capacidi effettuare classificazione automatica dicampioni di risposte e persino di ottene-re una stima della concentrazione deglianaliti significativi coinvolti. Il ricorso amodelli fisico/chimici di calibrazione mul-tisensore è raro, per la complessità del pro-cesso di modellazione della risposta deidifferenti sensori. Tipicamente l’approc-


Addestramento di un naso elettronico

Abbiamo precedentemente sottolineatoche, qualunque sia lo scenario, la possibi-lità di utilizzare in maniera efficace il na-so elettronico è connessa con l’esecuzionedi una fase di tuning/addestramento delnaso che lo renda funzionale per l’appli-cazione cui è destinato.A valle della definizione del problema siprocederà all’individuazione, col migliordettaglio possibile, dello scenario in cui ilnaso elettronico si troverà ad operare. Ciòimpone lo studio approfondito, in loco op-pure attraverso caratterizzazioni in labo-ratorio, di campioni delle emissioni costi-tuenti l'atmosfera da analizzare. Su tali ba-si possono essere individuati gli analiti da“inseguire” e i relativi range di concentra-zione. Sulla base dei risultati ottenuti inquesta prima fase, si effettua la scelta deidispositivi che andranno a costituire la ma-trice di sensori del naso elettronico. In li-nea di principio la migliore selezione è co-stituita da array di sensori stabili e sensibi-li, ciascuno selettivo verso uno degli ana-liti target. Purtroppo questa strategia ci èspesso preclusa poiché molto raramentesensori a stato solido presentano simulta-neamente ottimali caratteristiche di stabi-lità, sensibilità e selettività. Frequentemen-te i sensori possono essere altamente se-lettivi ma poco sensibili oppure possonopresentare problemi di stabilità. C’è poi unproblema di fondo: non esistono sensoria stato solido specializzati per ogni possibi-le analita: ad esempio, esistono oltre 3000inquinanti atmosferici, ma i sensori a sta-to solido utilizzabili per questo tipo di sce-nario sono, al più, solo qualche decina. Èanche per questo che esiste, nella pratica,una stretta connessione tra chi sviluppanasi elettronici e chi sviluppa sensori a sta-to solido: è quasi impossibile poter svilup-pare una specifica applicazione del naso


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ni. In pratica, si procede per step successi-vi verso la minimizzazione dell’errore diclassificazione ottenuto sull’insieme di mi-sure del training set. Recentemente infi-ne, è in atto un processo sempre più signi-ficativo di adozione di sistemi a kernel co-me le Support Vector Machine, che offro-no alcuni vantaggi, in termini di capacitàdi generalizzazione, rispetto all’approccioneurale. In alcuni casi, il processo di calibrazione inlaboratorio è tuttavia inapplicabile a causadella difficoltà di ricreare in laboratorio lavariabilità e la complessità delle condizio-ni operative dello scenario applicativo. Un

cio seguito è appunto statistico, pertantouno dei paradigmi di più comune utilizzoè quello neurale. Dal dataset viene estrat-to un sottoinsieme rappresentativo da uti-lizzare per l’addestramento di tali sistemi(training set): i campioni di training ven-gono proposti come esempi alla rete e lasua struttura variata per adeguarsi alla so-luzione reale. Da un punto di vista geo-metrico, come altri sistemi per pattern re-cognition, anche le reti neurali agiscono, inproblemi di classificazione, cercando di in-dividuare gli iperpiani di separazione tracluster di risposte dovute a classi differen-ti nello spazio di descrizione dei campio-

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Apparato di caratterizzazione sensori e nasi in atmosfera controllata

La possibilità di specializzare il naso elettronico dipende, in buona parte, dalla efficace calibra-zione dei sensori. Il sistema a tal scopo utilizzato è costituito da una camera di test in acciaio,posta all'interno di un box termostatato, dove vengono alloggiati i dispositivi stessi. La ca-mera di test è dotata di sensori di temperatura, umidità e pressione e di connettori per il col-legamento elettrico dei sensori oltre che di un ingresso e uscita del gas costituente l'atmo-sfera di test. Questa è costituita da azoto o aria sintetica che scorre, a flusso costante, in tubi d'acciaio mi-scelato ai gas di test, costituiti, in genere, da miscele in aria degli analiti target p.e. CO, NO2ecc. La diluizione dell’analita, regolata mediante flussimetri di massa elettronici, deve poterarrivare fino ad 1/500 del carrier con una precisione sul controllo del flusso inferiore al 1%. Pos-sono essere miscelati al gas carrier vapori di composti organici volatili (VOC) tramite dei bub-bolatori in cui il gas, passando attraverso il liquido, si arricchisce del vapore del liquido in og-getto o acqua, per simulare le condizioni di umidità relativa variabile.La composizione dell’atmosfera viene continuamente controllata in uscita attraverso l’usodi uno FTIR per assicurare che la sua composizione sia conforme a quanto pianificato.L'elettronica per le misure è costituita da generatori di tensione ed amperometri di grandeprecisione e robustezza che consentono polarizzazioni fino a 100 V e misurazione di corren-ti a partire dai fA. L’apparato deve essere interamente automatizzato poiché i protocolli di caratterizzazionepossono richiedere cicli di misura che durano anche centinaia di ore consecutive. In questo pe-riodo, nessuna contaminazione incontrollata deve raggiungere il dispositivo sotto test. È perquesto che l’apparato è costruito con criteri tali da assicurare la pulizia durante l’intero pro-cesso di misura a livelli migliori di quelli normalmente adottati per l’industria elettronica.I test sui sensori vengono eseguiti con protocolli che prevedono cicli temporali in cui il senso-re viene esposto a diverse concentrazioni di analita con finestre temporali in cui il sensore èa riposo (baseline), in cui il sensore è esposto dell'analita (step) ed in cui il sensore ripristina lesue caratteristiche dopo aver reagito con l'analita (recovery).I test eseguiti forniscono informazioni per ricavare parametri di confronto dei sensori comela sensibilità, il tempo di risposta, l'isteresi e la stabilità e la selettività.

infatti rispondere correttamente per diver-si motivi:• i sensori del naso risultano sensibili spe-

cificamente ai fenomeni che si vuole mo-nitorare;

• i sensori del naso risultano sensibili ai fe-nomeni che si vuole monitorare ma nel-l’ambiente esistono sostanze in grado diinterferire con la rilevazione; pur tuttaviase il naso dispone di sensori in grado dimodellare gli interferenti gli effetti de-gli stessi possono essere “numericamen-te” cancellati;

• i sensori del naso risultano sensibili a so-stanze la cui presenza è correlata al fe-nomeno che si vuole monitorare ma nondirettamente alle sostanze alla base delfenomeno stesso.

È facile individuare nel terzo punto unacircostanza da evitare nel caso gli effettidi correlazione appresi durante l’addestra-mento non siano costanti anche nel fun-zionamento operativo del naso; la rispo-sta del naso in questi casi sarebbe del tut-to fuorviante. In mancanza di un analisi sulle motivazio-ni chimiche della risposta del naso, è beneche il campione di addestramento sia il piùpossibile esteso e ben congegnato al fine dirappresentare esaustivamente le condizio-ni operative.Un semplice esempio può essere la rileva-zione della zona di provenienza di un oliodi oliva in un applicazione antifrode. Ipotiz-ziamo di avere a disposizione pochi cam-pioni di olio relativi ad una sola bottigliaper ogni località, con bottiglie appartenen-ti a zone di produzione tutte differenti.Anche in presenza di pattern di rispostadifferenti per le differenti località, in man-canza di conoscenze sui composti a cui ri-sponde l’array di sensori è difficilissimo per-venire a delle conclusioni sulla corretta ca-pacità di discriminazione del naso. La diffe-renza di pattern potrebbe essere dovutaad esempio a differenti condizioni di mi-


esempio è la stima quantitativa degli in-quinanti atmosferici in città: in questo ca-so non è pensabile ricostituire un data setrappresentativo delle relazioni intercor-renti tra le specie, dell’effetto di possibiliinterferenti e delle condizioni meteorolo-giche che influenzano la risposta dei senso-ri. Alcuni tentativi in tal senso hanno in-fatti prodotto risultati deludenti. Chi scriveha recentemente proposto la calibrazionedi nasi elettronici utilizzati per la stima de-gli inquinanti nelle città mediante campio-ni raccolti in ambiente operativo. I valoridi riferimento sono stati estratti utilizzan-do le stime di concentrazione prodotte dauna centralina convenzionale gestita dal-l’ARPA. I risultati, pubblicati su riviste scien-tifiche internazionali, sono stati estrema-mente interessanti: analisi prestazionalihanno rilevato come poche ore di misura-zione sono sufficienti per una calibrazio-ne stabile almeno per 6 mesi, periodo com-patibile con l’attuale durata di molti sen-sori a stato solido.Appare chiaro che l’utilizzo di piattafor-me a naso elettronico per particolari ap-plicazioni va accuratamente valutato allaluce di alcuni fattori chiave. Molte volte,lo stesso naso elettronico viene usato incontesti differenti con un approccio total-mente black box, nel quale, una volta costi-tuito un insieme di misurazioni, gli algo-ritmi di analisi qualitativa/quantitativa ven-gono addestrati senza indagare i mecca-nismi di risposta. Se l’insieme dei dati diaddestramento risultasse non pienamen-te descrittivo delle condizioni nel quale ilnaso si dovesse poi trovare ad operare, ilrischio di sovrastimarne le prestazioni ri-sulterebbe decisamente elevato. Ai fini diuna corretta validazione, è necessario stu-diare le motivazioni chimiche fondamen-tali alla base della risposta dei sensori delnaso al fine di evitare correlazioni spuriecon aspetti fenomenologici non previsti onon controllabili. Un naso elettronico può


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I nasi elettronici dell’ENEA

Il naso elettronico ENEA utilizza gruppi di sensori chimici, sia commerciali che di fabbricazio-ne ENEA, per la rilevazione di gas e di altri parametri ambientali (temperatura, umidità, fo-toluminescenza). In corrispondenza di ogni sensore è presente una circuiteria elettronica dicondizionamento da cui il segnale generato dal sensore passa (in alcuni casi multiplexato-MUX) ad un convertitore analogico digitale (ADC) e viene poi immagazzinato e gestito da unsistema a microprocessore. Il periodico collegamento via seriale ad un personal computer incui risiede un apposito software di gestione, consente il trasferimento e l’elaborazione deidati delle campagne di misura. L’alimentazione anche a batteria ne consente l’utilizzo in as-senza di rete elettrica.

Un avanzamento di questa architettura è il prototipo di naso elettronico wireless basato su sen-sori polimerici. La possibilità della ricetrasmissione via radio dei dati tra più nasi apre l’appli-cazione verso il settore delle “reti di nasi elettronici” in grado di eseguire un monitoraggiomultipunto, capillare, affidabile ed a basso costo della quantità e qualità dei gas presentinegli ambienti. Il naso è costituito da: – un gruppo di sensori polimerici resistivi (matrice di sensori), da esporre a gas e/o vapori

perturbanti;– un’elettronica di condizionamento ed amplificazione del segnale da essi generato in pre-

senza di sollecitazione esterna, nella quale il sensore è posto sul ramo di retroazione diun amplificatore operazionale in configurazione invertente;

– una piattaforma wireless per la digitalizzazione e la diffusione via radio dei dati rilevati; – un sistema informatico (unità remota processamento dati) per la ricezione, memorizza-

zione ed elaborazione dei dati e per il riconoscimento di pattern olfattivi; – una scheda di alimentazione e connessione tra le varie parti;– una batteria o alimentatore da rete. Il prototipo evolverà verso la miniaturizzazione della circuiteria e dei sensori per la loro in-tegrazione in un'unica scheda elettronica di dimensioni ridotte.

Figura 3Naso Elettronico ENEA di seconda generazione (Wi-reless) orientato verso reti di nasi elettroniciFonte: ENEA

Figura 2Naso elettronico ENEA di prima generazioneFonte: ENEA

dell’architettura sviluppata permette lascelta di un array di sensori ottimale appo-sitamente studiato per il sistema da moni-torare potendo basarsi su mix di sensoricommerciali e sensori sviluppati in conte-sti di ricerca tra i quali quelli sviluppati dal-l’ENEA stessa. Il singolo modulo risulta oc-cupare dimensioni contenute ed è in gradodi trasmettere con opportuni accorgimen-ti i segnali rilevati a distanze contenute checomunque permettono il dispiegamentodi molteplici unità in un contesto di moni-toraggio distribuito. Le analisi fin qui con-dotte, con l’ausilio dei ricercatori dell’Isti-tuto di Geofisica e Vulcanologia, hannoevidenziato la possibilità di effettuare unamappatura delle varie sorgenti emissivenel cratere della Solfatara appartenenteal sistema dei Campi Flegrei (figure 5 e 6),uno dei sistemi a maggiore rischio per ladensità abitativa circostante. Inoltre il nasoelettronico ENEA sembra essere in gradodi valutare il rapporto quantitativo tra leconcentrazioni di particolari gas come l’H2Sed il CO emessi dalle fumarole, come esem-plificato nelle figure 7 e 8. Questi rapporti


sura o a differenze legate alla singola bot-tiglia. Per ottenere informazioni significa-tive, la progettazione dell’esperimento do-vrà includere necessariamente numerosicampioni provenienti da più confezioni epossibilmente da produttori diversi insi-stenti sulla stessa località con metodi di col-tivazione differenti oppure conoscere ap-profonditamente la risposta dei sensori aglianaliti coinvolti.

Un caso di applicazione del naso elettronico ENEA: il monitoraggio del sito sismico“Solfatara” di Napoli

Le analisi ed il monitoraggio geochimicodei gas emessi in maniera diffusa o loca-lizzata (fumarole) in aree vulcaniche è at-tualmente condotto con metodologie checoinvolgono l’uso di strumentazione da la-boratorio e metodi di campionamento etrattamento dei campioni decisamentecomplesse. I tempi di analisi superano avolte la settimana, con il coinvolgimentodi personale altamente specializzato. Ladisponibilità di mezzi innovativi a campio-namento veloce capaci di analisi sia quali-tativa che quantitativa di tali gas potreb-be apportare nuove conoscenze sulla di-namica a breve termine dei sistemi vulcani-ci complessi. Di particolare importanza so-no sopratutto la velocità di risposta, l’ope-ratività non supervisionata, e la possibilitàdi monitoraggio pervasivo delle aree. ENEAha proposto l’utilizzo di un architettura anaso elettronico, sviluppata in particolareper le applicazioni outdoor, per il monito-raggio geochimico delle fumarole vulca-niche [DeV01]. Tale architettura, una cuirealizzazione è raffigurata in figura 4, per-metterà di ottenere una valutazione qua-litativa e quantitativa della composizionedei gas emessi con tempi di campionamen-to inferiori al minuto e comunque pro-grammabili. La flessibilità e la modularità


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Figura 4Il Naso elettronico ENEA all’opera nel cra-tere della SolfataraFonte: ENEA


ta risalita verso la superficie viene in con-tatto con differenti tipologie di suolo e sor-genti acquifere determinando un cambia-mento nella composizione dei gas emessidalle fumarole.

caratteristici sono di estrema rilevanza inquanto di fatto rappresentano un’indica-zione valida sia della temperatura sia del-l’altezza del magma sottostante il sistemasuddetto. Il magma infatti, nella sua len-

Nasi elettronici

studi

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Figura 5Il cratere della Solfatara con indicazione dei pun-ti di misura (fumarole, stagno di fango ribollen-te, sito di controllo) mappati nell’esperimentoENEA/INGVFonte: ENEA

PCA2

(31%

)PC

A3

(10%

)

2

1

0

–1

–26 4 2 0 –2 –4 –4 –3 –2 –1 0 1 2 3 4 5

PCA1 (48%)

SAN CST

FNGBG1BG2

Figura 6Esempio di mappatura alle componenti principa-li delle differenti fumarole della Solfatara. Il nasoelettronico è in grado di rilevare un differentepattern di risposta per le diverse fumaroleFonte: ENEA

14

12

10

8

6

4

2

2

–2

Time (mins)

H2S

Sen

sor R

espo

nse

(V)

40 50 60 70 80 90 100 110 120

x 10–3

Figura 7Risposta di un sensore per H2S alloggiato nel na-so elettronico ENEA, allorquando viene espostoalla miscela di gas emessi da una delle fumaroledella SolfataraFonte: ENEA

20

H2S-CO Concentration Scatter Plot

CO C

once

ntra

tion

(ppm

)

20

15

10

5

40 60 80 100 120H2S Concentration (ppm)

Figura 8Rilevamento del rapporto di concentrazione inalcune misurazioni effettuate in Solfatara in di-versi punti di misura nelle vicinanze della fuma-rola denominata “Bocca Grande”Fonte: ENEA

energetico è maggiore. L’ENEA costruiscei suoi mini-nasi denominati TinyNose a par-tire da un piccolo array di sensori polime-rici sviluppati ad hoc e da nodi per reti disensori commerciali, sviluppati da spin-offdell’Università della California a Berkeley.Per tali nodi è stato sviluppato un sistemaoperativo volto all’efficienza energeticadenominato TinyOS per il quale ENEA svi-luppa componenti software in grado diinterfacciare i propri sensori e curare la ca-tena di acquisizione del dato fino alla suapresentazione, via web, all’utente finale.Ai fini dell’efficienza energetica si sonorivelati decisivi gli studi intrapresi nel re-cente passato dal gruppo sensoristica diPortici del Dipartimento Tecnologie Fisi-che e Nuovi Materiali su sensori nano-strutturati operanti a temperatura am-biente [Dif01]. Questi, a differenza deiclassici sensori a ossidi metallici operantiad alte temperature, grazie alla reattivitàpotenziata della loro superficie nanostrut-turata, garantiscono consumi significati-vamente più contenuti oltre a semplifica-re l’elettronica di pilotaggio e condizio-namento del segnale. Infine, è da notarecome il consumo legato alla trasmissionedei dati in questi nodi sensoriali sia signi-ficativamente più elevato di quello lega-to a operazioni di computing; per questomotivo sono in corso degli studi, pressogli stessi laboratori ENEA, al fine di inte-grare componenti “intelligenti” all’inter-no dei nodi TinyNose. In questo modoogni nodo sarà in grado di valutare la si-gnificatività del dato e decidere per la suatrasmissione in tempo reale o per l’imma-gazzinamento per operazioni di mediastatistica. Allo stesso tempo i nodi saran-no in grado di modificare autonomamen-te la frequenza di campionamento perrealizzare ulteriori risparmi energetici,adattandola alla situazione rilevata. Le ri-cerche in atto hanno già permesso lo svi-luppo di prototipi in grado ad esempio


Il futuro del naso: reti di nasi elettronici

Le applicazioni sensoristiche evolvono sem-pre di più verso la misurazione distribui-ta e pervasiva delle grandezze ottenutamediante la moltiplicazione degli elemen-ti e la loro dislocazione nell’ambiente damisurare. Nel prossimo futuro dobbiamoattenderci il fiorire di applicazioni pervasi-ve con nodi sensoriali sempre più piccolied efficienti. Nel contesto specifico di que-sto articolo è bene sottolineare come inalcune applicazioni, in special modo quel-le relative alla misura della qualità dell’a-ria e dell’inquinamento atmosferico, sussi-sta la necessità, per ragioni fluidodinami-che, di dotarsi di una vera e propria retedi rilevatori che, cooperando, siano in gra-do di ricostruire l’“immagine” olfattivadell’ambiente in cui sono immersi. Sullabase di queste indicazioni l’ENEA ha pro-posto lo sviluppo di una rete di piccoli na-si elettronici cooperanti via collegamentoradio [Dev02]. Dislocati con una topolo-gia detta mesh, i nasi fanno pervenire leinformazioni acquisite a distanze moltomaggiori di quelle ottenibili mediante unatopologia classica a stella. Le informazionivengono infatti fatte “rimbalzare” su mol-teplici nodi della rete mediante protocol-li di routing multihop fino ad un nodo pri-mario, tipicamente costituito da un PC,denominato data sink. In questo tipo diapplicazione è fondamentale implementa-re politiche di misurazione orientate al-l’efficienza energetica. I nodi infatti sonoalimentati a batteria in modo da renderesemplice il loro dispiegamento in ambien-ti inizialmente non destinati ad ospitarli.Inoltre, per evitare il rapido esaurimentodelle batterie, le piattaforme operativeospitanti i sensori e i loro sistemi operati-vi sono progettate per garantire consumibassissimi e transizioni veloci tra gli stati“dormienti” e quelli attivi in cui il consumo


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razione e pretrattamento della miscelaodorosa in un ottica biomimetica, altri an-cora esplorano l’utilizzo di meccanismi disensing differenti da array di sensori otticialla spettrometria a mobilità ionica minia-turizzata. L’utilizzo massivo dell’elettroni-ca flessibile, inoltre, potrebbe portare inpochi decenni all’integrazione di tali di-spositivi negli elettrodomestici o in prodot-ti di uso comune come esempio un frigori-fero capace di individuare cibi che stannodeperendo o packaging intelligenti in gra-do di monitorare in continuo lo stato diconservazione di farmaci, protesi e altri be-ni strategici. La sfida più affascinante re-sta la possibilità di utilizzare tali architet-ture in ambito biomedicale ai fini sopra-tutto della realizzazione di strumenti sem-plici, poco costosi, non invasivi, per la dia-gnosi precoce delle patologie.

di valutare la presenza di particolari spe-cie di composti volatili (terpeni, acetone,etanolo ecc.).Da un punto di vista applicativo l’obietti-vo condiviso dai ricercatori in questo cam-po è la realizzazione di nasi elettronici do-tati di un gran numero di sensori capaci dimisurazioni significative in un numero am-pio di applicazioni che, anche se inquadra-te in scenari di riferimento, possano attri-buire una certa flessibilità al naso stesso.In questa visione, sarà possibile produrre,per esempio, un naso elettronico per ap-plicazioni alimentari consumer che possapassare dall’analisi qualitativa di oli, ai vinipiuttosto che ai formaggi una volta cari-cata on-board l’opportuna libreria per pat-tern recognition. Alcuni gruppi, come ab-biamo accennato, stanno esplorando lapossibilità di integrare meccanismi di aspi-

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Una metrica per l’olfatto

Negli studi sui sistemi di visione o su quelli audio, gli stimoli sono classificabili in termini difrequenze. Questo consente di “costruire” dei sistemi di riferimento in cui ogni punto rappre-senta uno stimolo diverso. In termini semplificati basta pensare alla base RGB per i colori.Molti studiosi si sono posti il problema della esistenza di un analogo sistema di riferimento perl’olfatto: esiste o no (e perché allora?) una base per i sistemi olfattivi? Recentemente R. Had-dad e i suoi collaboratori sembra siano riusciti a dare una risposta positiva a tale quesito (Na-ture Methods, Dec. 2007). Hanno infatti proposto una base costituita da 1664 descrittori mo-lecolari che sembra siano in grado di rappresentare qualsiasi stimolo olfattivo.Ciò apre una nuova pagina per i sistemi di controllo elettronico dell’olfatto, perché appare orapossibile lavorare su un sistema di riferimento teorico e non empirico.

Bibliografia– [Dev01] S. De Vito, E. Massera, L. Quercia, G. Di

Francia, Analysis of volcanic gases by means ofelectronic nose, Sensors and Actuators B, Volu-me 127, Issue 1, 2007, Pag. 36-41.

– [Dif01] Di Francia G, Quercia L, Rea I, MaddalenaP, Lettieri S Nanostructure reactivity: Confinementenergy and charge transfer in porous silicon. Sen-sors and Actuators B, Vol 111 Pag. 117-124.

– [Dev02] S. De Vito, E. Massera, G. Burrasca, D. Del-la Sala, G. Di Francia, Enabling Distributed VOC

Sensing Applications: Toward Tinynose, A Poly-meric Wireless E-Nose, Sensors and MicrosystemsProceedings of the 12th Italian Conference Na-ples, Italy, 12-14 February 2007.

– [Tur01] A. Turner, N. Magan, Electronic noses anddisease diagnostics, Nature Reviews Microbiology,Vol. 2, 2004, Pag. 161-166.

– [Wei01] F. Rock, N. Barsan, U. Weimar, ElectronicNose: Current Status and Future Trends, Chemi-cal Review, 108 2), 2008, Pag. 705-725.

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