У смарт-часов следующего поколения может появиться не новое приложение, а целое новое чувство — обоняние. Производители присматриваются к крошечному газовому сенсору: чипу, который ловит летучие соединения прямо из окружающего воздуха. Второй сюжет развивается параллельно, и он посерьёзнее — диагностика по выдоху. Состав летучих органических веществ в дыхании меняется при диабете, болезнях печени и ещё целом списке состояний. На самом деле это не два тренда, а один: электронный нос, который из лабораторной диковинки перебирается в носимые гаджеты. Ниже — как устроены MEMS- и MOX-сенсоры, что они в самом деле различают в сложной смеси дыхания, почему «понюхать» болезнь упирается в калибровку и что всё это сулит приватности медицинских данных.
Никакой магии: в основе большинства электронных носов лежат резистивные газовые сенсоры. Тонкая плёнка полупроводникового оксида металла — чаще всего диоксида олова — нанесена на микрогорячую пластину. Плёнку разогревают до сотен градусов, молекулы газа прилипают к поверхности, электроны перераспределяются, сопротивление ползёт. Собственно, всё.
Один такой сенсор, правда, реагирует сразу на класс веществ, а не на конкретную молекулу. Различить их он не в силах — и потому электронный нос это всегда матрица: набор чувствительных элементов с разными покрытиями плюс алгоритм, который сравнивает полученный «отпечаток запаха» с эталонами. Чем-то напоминает работу сомелье, только вместо бокалов — миллиметровые чипы.
Миниатюризацию принесла MEMS-технология: горячая пластина меньше миллиметра потребляет на порядки меньше энергии, чем классический датчик, и наконец-то помещается в носимый корпус. Хрестоматийный пример — сенсоры Bosch серии BME, где в одном чипе совмещены измерение влажности, давления, температуры и общего уровня летучих органических соединений. Но есть нюанс. Такой сенсор не скажет «это ацетон» — он выдаёт интегральную картину, по которой алгоритм максимум строит предположение.
Индустрия носимой электроники давно ищет следующее отличие после пульсометров и датчиков кислорода, и газовый сенсор — один из главных кандидатов. Для сенсоров Bosch в носимых форматах — наушниках и часах — обсуждаются вполне житейские сценарии: оценка качества воздуха, обнаружение продуктов горения в помещении, контроль паров алкоголя. Продукт «часы с носом» напрашивается сам: персональный мониторинг среды. Гаджет подсказывает, что в комнате душно, что городской воздух собрал смог, что дома завёлся источник летучих веществ.
Только не путайте два режима. «Нюхать» воздух вокруг — задача ближайших лет, инженерная база готова. «Нюхать» собственный выдох — совсем другой масштаб: нужен изолированный канал забора пробы, борьба с конденсатом и с разбавлением выдоха окружающим воздухом. Поэтому первые носимые анализаторы дыхания, скорее всего, окажутся гибридами — гарнитурами и адаптерами, а не привычным корпусом часов.
Вместе с выдохом организм отдаёт не только углекислый газ с паром. Исследователи нашли в дыхании больше тысячи летучих органических соединений, и часть из них — эндогенные, продукты обмена веществ. Ацетон растёт при кетозе, включая декомпенсацию диабета. Аммиак связывают с проблемами почек. При циррозе печени меняется целый набор маркеров. Для онкологии лёгких специфические сигнатуры ищут годами. Направления горячие, но в клиническую рутину пока пробились единицы.
Самый убедительный пример зрелой технологии — старый добрый алкотестер: электрохимический сенсор, специфичный к этанолу, стандартизированный протокол забора пробы и десятилетия регуляторной практики. Путь от маркера к валидированному прибору — образец для всей диагностики по дыханию. Разница в том, что этанол — одна молекула, а сигнатура болезни — многомерный узор, который сперва надо надёжно разглядеть на тысячах пациентов.
Первая — инженерная. Выдох почти насыщен водяным паром, а MOX-сенсоры чувствительны к влажности ничуть не меньше, чем к целевым газам. Добавьте дрейф характеристик по мере старения чувствительного слоя, перекрёстную чувствительность и разброс между экземплярами чипов. Любому «носовому» продукту нужна калибровка на реальных смесях, а не на идеальном газе из баллона.
Вторая — биологическая. Базовый запах человека индивидуален: питание, микробиом, лекарства, курение, время суток — всё сдвигает фон летучих соединений. Без больших датасетов здоровых и больных алгоритм поймает не болезнь, а то, кто и что ел накануне. Отсюда ложные срабатывания — для медицинского скрининга недопустимые без клинических испытаний.
Третья — приватность. Непрерывная телеметрия состава выдоха выдаёт больше, чем кажется: диету, лекарства, беременность, начало заболевания. Фактически это медицинские данные, которые через приложения утекают в облака. Пока индустрия не ответит, где считается и хранится «нюх» — на устройстве или на сервере, — массовое внедрение будет спотыкаться о регуляторов.
Российский электронный нос растёт из сильной школы полупроводниковых сенсоров. В НИТУ «МИСИС» занимаются, среди прочего, наноструктурированными чувствительными слоями, повышающими селективность газовых сенсоров. Темой живут и академические институты с давней традицией физики полупроводников — включая ФТИ имени Иоффе; состав выдоха при болезнях печени, лёгких и нарушениях обмена, судя по открытым источникам, изучают и российские медицинские университеты.
В прикладном плане отечественная индустрия сильна там же, где и весь мир, — в алкотестерах: российские производители десятилетиями выпускают приборы для медицины и транспорта. А вот потребительских носимых устройств с газовыми сенсорами в России, судя по открытым данным, практически нет. Перспективы упираются в импортозамещение электроники и цифровизацию здравоохранения. Самая реальная точка входа для отечественных разработок — медицинские анализаторы выдоха, а не массовые смарт-часы.
Так что электронный нос в смарт-часах — вовсе не сказка, а задача, решённая ровно наполовину. Сенсоры уже достаточно малы и экономичны. Вторая половина — аналитика: датасеты, калибровка, клинические испытания, регуляторика. Как ожидают, в ближайшей перспективе носимые форматы возьмут на себя мониторинг качества воздуха да отдельные сценарии вроде обнаружения паров алкоголя или продуктов горения. Диагностика болезней по выдоху придёт позже и почти наверняка в связке с врачом и лабораторным подтверждением. А приватность придётся решать уже сегодня: состав выдоха интимнее пульса, и обращаться с ним стоит соответствующе.