8th Asian Conference on Chemical Sensors

ช่วงหลังที่ผมไปสังเกตการณ์ตามการประชุมวิชาการต่างๆ ไม่ว่าจะเป็น NanoThailand 2008 หรือ PACCON2009 ได้พบว่านักวิจัยไทยมีผลงานทางด้านเซ็นเซอร์มากขึ้น แต่การประชุมตรงๆ เน้นๆ เกี่ยวกับเซ็นเซอร์ในเมืองไทยนั้นไม่ค่อยมี วันนี้ผมเลยขอแนะนำการประชุมที่สำคัญในวงการนี้ ซึ่งมีชื่อว่า 8th Asian Conference on Chemical Sensors ซึ่งในปี 2009 นี้จะจัดที่เมือง Daegu ประเทศเกาหลี ระหว่างวันที่ 11-14 พฤศจิกายน 2552 นี้ครับ กำหนดส่ง abstract นั้นก็คือวันที่ 31 มีนาคม 2552 นะครับ ยังมีเวลาเหลือพอให้ทำงานกันนะครับ สำหรับหัวข้อที่เป็นที่สนใจของการประชุมนี้ก็คือ

• New sensing materials for chemical sensors
• Nanotechnology and nanomaterials for chemical sensors
• Sensor fabrication technology
• Sensing principles and mechanism
• Sensors array, artificial olfaction and electronic nose
• Humidity sensors
• Biosensors and micro-TAS
• Electrochemical devices
• Automotive chemical sensors
• Environmental gas sensors
• Integration issues in chemical sensors
• Novel approach to sensing
• Analytical microsystems
• MEMS sensor & system
• Smart sensors & system, ubiquitous sensor network
• Other emerging chemical sensors

คลิ๊กที่ภาพข้างล่างเพื่อขยายให้ใหญ่ขึ้น ......

Electronic Nose for Food Industry (ตอนที่ 2)

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ เป็นอุปกรณ์ที่เลียนแบบการทำงานของจมูกมนุษย์จริงๆ ก่อนอื่นต้องมาทำความรู้จักการทำงานของจมูกมนุษย์กันก่อน เมื่อคนเราสูดดมอากาศเข้าไป อากาศก็จะนำพาไอของโมเลกุลซึ่งอาจมีกลิ่นเข้าไปในโพรงจมูกของเรา ซึ่งกระแสลมแปรปรวน (Turbulence) ในโพรงจมูกจะช่วยทำให้ไอโมเลกุลนั้นเกิดการสัมผัสกับต่อมรับกลิ่นซึ่งอยู่บนเซลล์ประสาทรับกลิ่น โดยปลายข้างหนึ่งของเซลล์นี้จะไปรวมกันที่ต่อมรวมประสาท (Glomeruli) ซึ่งมันจะทำหน้าที่ขยายสัญญาณ (Amplifier) แล้วนำสัญญาณประสาทส่งไปสู่สมองส่วนที่เรียกว่า Olfactory Cortex การรับรู้กลิ่นเกิดจากการทำงานในระดับนาโน กล่าวคือ โมเลกุลของกลิ่นจะเกิดอันตรกริยาหรือจับตัวเข้ากับโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) ซึ่งมีอยู่หลากหลายชนิด สมมติว่าเราดมกลิ่นทุเรียนเข้าไป ไอระเหยของทุเรียนนั้นมีโมเลกุลอินทรีย์นับสิบชนิด โมเลกุลอินทรีย์จากทุเรียนสามารถเข้าจับกับโมเลกุลรับกลิ่นในจมูก ก็จะเกิดรูปแบบขึ้นมา สมองก็จะจดจำว่าถ้ากลิ่นทุเรียนมาก็รู้ว่าเป็นทุเรียน ทีนี้ถ้าทุเรียนต่างชนิดกัน เช่น หมอนทอง กับ ชะนี ก็อาจมีชนิดของโมเลกุลอินทรีย์ต่างกัน ทำให้สมองจำรูปแบบได้ว่าเป็นทุเรียนคนละประเภท นี่คือคำอธิบายว่าทำไมสุนัขถึงจดจำเจ้าของได้ เพราะรูปแบบที่เกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลกลิ่น-โมเลกุลรับกลิ่น มีความจำเพาะเจาะจงและซับซ้อน อีกทั้งยังมีความหลากหลายทำให้ไม่ซ้ำกัน


กล่าวโดยสรุป ระบบรับรู้กลิ่นของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมประกอบด้วย

1. ส่วนรับกลิ่นซึ่งรวมถึงตัวรับกลิ่นและระบบนำกลิ่นเข้ามา


2. ระบบนำสัญญาณประสาทซึ่งรวมถึงระบบส่งและขยายสัญญาณ


3. ระบบประมวลผลซึ่งจะสามารถแยกแยะและจดจำกลิ่นได้

จมูกอิเล็กทรอนิกส์ก็จะมีลักษณะที่เลียนแบบระบบรับรู้กลิ่นในธรรมชาติดังนี้

1. ส่วนรับกลิ่นประกอบไปด้วยตัวนำกลิ่นเข้ามาซึ่งอาจมีมอเตอร์ดูดอากาศ มีท่อรวบรวมกลิ่น (Concentrator) เพื่อให้กลิ่นมีความเข้มข้นสูงขึ้นและที่สำคัญที่สุดก็คือ เซ็นเซอร์รับกลิ่นจำนวนมาก ตั้งแต่ 4 ตัวไปจนถึงนับพันตัว


2. ส่วนรวบรวมสัญญาณ ซึ่งจะทำการแปรสัญญาณจากเซ็นเซอร์ (Tranducing) และทำการจัดการสัญญาณ (Signal Conditioning) เช่น ลดสัญญาณรบกวน จากนั้นก็จะแปลงสัญญาณจากอนาล็อกให้เป็นดิจิตอล (A/D Converter)


3. ส่วนประมวลผลซึ่งจะนำสัญญาณที่ได้รับมาทำการเปรียบเทียบเชิงสถิติกับฐานข้อมูลที่มีอยู่เดิม ซึ่งอาจจะใช้วิธีการระบบประสาทเทียม (Artificial Neural Networks) เพื่อทำการแยกแยะกลิ่น รวมไปถึงการเรียนรู้และจดจำรูปแบบของกลิ่น

Electronic Nose จะพยายามเลียนแบบธรรมชาติในแทบทุกด้าน ยกตัวอย่าง เวลาที่เราดมกลิ่นอะไรนานๆ จะเกิดความเคยชินและอาจไม่รู้สึกถึงกลิ่นนั้นๆในระยะเวลาหนึ่ง เช่น ถ้าเราเดินเข้าไปในห้องที่มีกลิ่นสีแล้วนั่งอยู่สักพัก เพื่อนที่เดินเข้ามามักจะถามว่า “นั่งอยู่ได้ยังไงไม่เหม็นสีหรือ?” ทั้งๆที่เราก็อาจไม่รู้สึกถึงกลิ่นเลย แต่ถ้าเราเดินออกมาสูดอากาศข้างนอกสักพักแล้วเดินกลับเข้าไปใหม่เราก็จะรับรู้ถึงกลิ่นสีได้อีก Electronic Nose ก็จะมีอาการเช่นเดียวกัน ถ้าเราเอามันมาดมกลิ่นทุเรียนแล้วเอาไปดมกลิ่นไวน์ทันที มันก็จะอาจจะไม่สามารถรับรู้กลิ่นไวน์ได้ดี เนื่องมาจากโมเลกุลกลิ่นทุเรียนได้เข้าไปจับกับตัวเซ็นเซอร์ ทำให้เซ็นเซอร์ไม่สามารถจับกับโมเลกุลกลิ่นอื่นๆ ที่เข้ามาใหม่ได้ จึงต้องมีวิธีการไล่กลิ่นเดิมออกไปด้วยการเป่าอากาศเข้าไปที่ตัวเซ็นเซอร์ นอกจากนั้น Electronic Nose ก็เหมือนจมูกมนุษย์ที่ต้องการการเรียนรู้ ตอนที่เราเกิดมานั้นเราแทบไม่มีข้อมูลของกลิ่นอยู่เลยในสมองของเรา เราต้องเรียนรู้ตั้งแต่เด็กๆว่าทุเรียนมีกลิ่นอย่างไร สตรอเบอรีมีกลิ่นอย่างไร Electronic Nose ก็เช่นเดียวกันที่ต้องการการฝึกฝน เพื่อให้สามารถจดจำแยกแยะกลิ่นได้ นักชิมไวน์ที่มีความเชี่ยวชาญในการจำแนกแยกแยะไวน์ชนิดต่างๆ ต้องอาศัยการฝึกฝนและสั่งสมประสบการณ์เป็นระยะเวลายาวนานนับสิบปี

Electronic Nose for Food Industry (ตอนที่ 1)

ระบบสัมผัสของมนุษย์นั้นมี ตา หู จมูก ลิ้น กาย ที่เราเรียกกันว่าสัมผัสทั้งห้า ซึ่งปัจจุบันเราก็ค่อนข้างมีความเข้าใจในประสาทสัมผัสต่างๆ เหล่านั้นเป็นอย่างดี ยกเว้น สัมผัสทางด้านกลิ่น ซึ่งเราเพิ่งจะเริ่มศึกษาและพัฒนาความเข้าใจพื้นฐาน การทำงานของมันเมื่อไม่นานมานี้เอง ทั้งนี้อาจจะเป็นเพราะว่า เราไม่ค่อยเห็นความสำคัญของมัน ทั้งๆ ที่ความสุขในชีวิตของมนุษย์เราในเรื่องการรับประทานอาหาร นั้นขึ้นอยู่กับการทำหน้าที่อย่างสมบูรณ์ของจมูก เพราะลิ้นที่รับรสนั้นบอกได้แต่เพียง หวาน เปรี้ยว ขม เค็ม เท่านั้น แต่จมูกต่างหากที่บอกว่าข้าวหน้าเป็ดต่างจากข้าวมันไก่อย่างไร อร่อยหรือว่าไม่ได้เรื่อง สำหรับสิ่งมีชีวิตอื่นๆนั้น การทำหน้าที่รับกลิ่นของจมูก หรือ ระบบสัมผัสไอโมเลกุล มีความสำคัญต่อการอยู่รอดเผ่าพันธุ์ของมันเลยทีเดียว

สิ่งมีชีวิตทุกชนิดตั้งแต่สิ่งมีชีวิตชั้นต่ำอย่างแบคทีเรีย มาจนถึงสิ่งมีชีวิตชั้นสูงอย่างมนุษย์ ล้วนมีระบบสัมผัสที่ตอบรับกับโมเลกุลเคมีต่างๆที่มีอยู่รอบตัว (Molecular Sensing) ซึ่งมีความสำคัญกับการดำรงชีพ เช่น เป็นสัญญาณของอาหาร การจดจำถิ่นที่อยู่ เวลาของการผสมพันธุ์ ไปจนถึงสัญญาณเตือนภัยต่างๆ สิ่งมีชีวิตชั้นสูง เช่นมนุษย์นั้นได้พัฒนาระบบการรับรู้โมเลกุลเคมี จนก้าวหน้าไปอย่างมากทั้งระบบฮาร์ดแวร์ที่ประกอบด้วยต่อมรับกลิ่น ไปจนถึงระบบประสาทที่ส่งสัญญาณไปประมวลผลที่สมอง กับ ระบบซอฟท์แวร์ที่สามารถจดจำ ประมวลผล ในรูปแบบของความรู้สึกถึง “กลิ่นและรส” ได้ สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมบางชนิด เช่น หนูแฮมสเตอร์นั้น มียีนที่เข้ารหัสโปรตีนที่เป็นโมเลกุลรับกลิ่น (receptor) ถึง 1000 ยีน คิดเป็น 3% ของจีโนม (รหัสพันธุกรรมทั้งหมดของสิ่งมีชีวิต) ของมันเลยทีเดียว นั่นย่อมแสดงให้เห็นว่า ประสาทสัมผัสในเรื่องการรับรู้กลิ่นและไอระเหย มีความสำคัญเพียงใด

เมื่อคนเราสูดดมอากาศเข้าไป อากาศจะนำพาไอของโมเลกุลเข้าไปในโพรงจมูก ซึ่งกระแสลมแปรปรวน (Turbulence) ในโพรงจมูกจะช่วยทำให้ไอโมเลกุลนั้นเกิดการสัมผัสกับต่อมรับกลิ่น (Odor Receptor) ซึ่งอยู่บนเซลล์ประสาทรับกลิ่น โดยปลายข้างหนึ่งของเซลล์นี้จะไปรวมกันที่ต่อมรวมประสาท (Glomeruli) ซึ่งมันจะทำหน้าที่ขยายสัญญาณ แล้วนำสัญญาณประสาทส่งไปสู่สมองส่วนที่เรียกว่า Olfactory Cortex ทั้งนี้ด้วยความพยายามในการค้นคว้าวิจัยของผู้ได้รับรางวัลโนเบลทั้งสองท่าน คือ Richard Axel กับ Linda B. Buck ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลสาขาสรีรวิทยาและการแพทย์ เมื่อปี ค.ศ. 2004 ทำให้เราทราบว่าเซลล์ประสาทรับกลิ่นแต่ละเซลล์นั้นจะมีโมเลกุลรับกลิ่นอยู่เพียงชนิดเดียวเท่านั้นจากเป็นพันชนิด เซลล์รับกลิ่นที่มีโมเลกุลรับกลิ่นชนิดเดียวกันจะส่งสัญญาณไปที่ต่อมรวมประสาทแบบเดียวกัน ทำให้สมองแยกแยะได้ว่าสัญญาณที่เข้ามานั้นมากจากเซลล์ที่มีโมเลกุลรับกลิ่นแบบไหน ซึ่งสมองก็ต้องทำการประมวลผลอย่างหนักเหมือนกัน เพราะมีประเภทของโมเลกุลรับกลิ่น (ยีน) เป็นพันชนิด มีเซลล์รับกลิ่นเป็นล้านเซลล์ ที่ส่งสัญญาณมายังท่อรวมสัญญาณนับหมื่นเส้น

ระบบการรับรู้กลิ่นนั้นมีความซับซ้อนมาก มนุษย์ที่ถูกฝึกมาโดยเฉพาะเช่น นักดมน้ำหอม อาจมีความสามารถจดจำกลิ่นได้ถึง 10,000 ชนิด สำหรับคนทั่วไปนั้นจะจดจำกลิ่นได้จำนวนในหลักร้อยหรือพันเท่านั้น โดยสามารถแยกแยะกลิ่นไปต่างๆนานา ตามประสบการณ์ของตน เช่น กลิ่นไหม้ กลิ่นเปรี้ยว กลิ่นวานิลลา กลิ่นโลหะ กลิ่นหืน กลิ่นกุหลาบ กลิ่นกาแฟ และอื่นๆ โดยจมูกมนุษย์นั้นมีข้อจำกัดที่ไม่สามารถจับกลิ่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลที่หนักกว่า 300 ดาลตัน (หนักเท่าไฮโดรเจน 300 อะตอม) ทำให้ไม่สามารถดมกลิ่นที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง รวมทั้งก๊าซพิษหลายๆ ชนิด เช่น คาร์บอนมอนนอกไซด์ เป็นต้น อีกทั้งการระบุกลิ่นก็ไม่เที่ยงตรง แต่ละคนจะมีความรู้สึกไม่เท่ากัน ที่สำคัญที่สุดคือ ไม่สามารถระบุกลิ่นในเชิงปริมาณได้ รู้เพียงว่ากลิ่นแรงหรืออ่อนๆ เท่านั้น ดังนั้นจึงเกิดแนวคิดในการวิศวกรรมเรื่องระบบดมกลิ่นขึ้น โดยการเลียนแบบจมูกมนุษย์ด้วยการสร้างอุปกรณ์ที่เรียกว่า จมูกอิเล็กทรอนิกส์ (Electronic Nose) ขึ้นมา

Agriculture Version 2.0 (ตอนที่ 2)

วันนี้เรามาดูเทคโนโลยี 2 ตัวต่อไป ที่จะช่วยทำให้เกษตรกรรมกลายมาเป็น Agriculture Version 2.0 กันต่อนะครับ

Remote Sensing หรือ เทคโนโลยีการรับรู้ระยะไกล เป็นเครื่องมือที่ใช้ในการเก็บข้อมูลพื้นที่โดยอาศัยคลื่นแสงในช่วงความยาวคลื่นต่างๆ และ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในรูปแบบต่างๆ เช่น เรดาห์ ไมโครเวฟ วิทยุ เป็นต้น โดยอุปกรณ์รับรู้เหล่านั้นมักจะติดตั้งบนอากาศยาน หรือ ดาวเทียม เทคโนโลยี Remote Sensing เป็นเทคโนโลยีที่เหมาะสมกับการใช้งานในพื้นที่กว้าง หน่วยงานที่ใช้โดยมากจึงเป็นหน่วยงานของรัฐบาลและทหาร ในอดีตนั้นถึงแม้จะมีการนำเทคโนโลยีนี้มาใช้ในการเกษตร แต่ก็เป็นการใช้ในระดับนโยบายโดยองค์กรของรัฐ แทบจะไม่มีการนำมาใช้ในระดับบริษัทหรือฟาร์มของเกษตรกร เพราะราคาที่แพงแสนแพง แต่ในปัจจุบันเทคโนโลยี Remote Sensing มีราคาถูกลงมากและใช้งานง่ายขึ้น เมื่อก่อนจะใช้เทคโนโลยีนี้จะต้องไปเรียนกันในระดับปริญญา แต่เดี๋ยวนี้เจ้าของฟาร์มก็สามารถใช้ได้ โดยการสั่งซื้อบริการจากดาวเทียมของเอกชน หรือ ข้อมูลสาธารณะต่างๆ ที่มีให้ดาวน์โหลดมากมายในเน็ต อย่างไรก็ดี เนื่องจากข้อมูลจาก Remote Sensing นั้นเป็นข้อมูลของพื้นที่กว้าง หากจะใช้สำหรับพื้นที่ย่อยๆในระดับฟาร์ม ข้อมูลก็จะมีความหยาบเอามากๆ ข้อมูลดิบที่ได้จาก Remote Sensing จะเป็นสเปคตรา (Spectra) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือคลื่นแสง เป็นหลัก ซึ่งต้องอาศัยการแปลความหมายออกมาเป็นข้อมูลที่เป็นประโยชน์ เช่น ขนาดและความหลากหลายของพื้นที่เกษตรกรรม ชนิดของพืชที่มีการเพาะปลูก ความชุ่มชื้นของดิน เป็นต้น

Proximal Sensing หรือ เทคโนโลยีการรับรู้ระยะใกล้ อาศัยเซ็นเซอร์วัดข้อมูลต่างๆ ได้โดยตรงในจุดที่สนใจ เช่น เซ็นเซอร์ตรวจอากาศ (Weather Station) เซ็นเซอร์วัดดิน (Soil Sensor) เซ็นเซอร์ตรวจโรคพืช (Plant Disease Sensor) เซ็นเซอร์ตรวจวัดผลผลิต (Yield Monitoring Sensor) เซ็นเซอร์เคมี (Chemical Sensor) เป็นต้น เซ็นเซอร์เหล่านี้สามารถที่จะนำมาวางเป็นระบบเครือข่ายไร้สาย (Wireless Sensor Network) โดยนำไปติดตั้งหรือปล่อยในพื้นที่ไร่นา เพื่อเก็บข้อมูลต่างๆ เช่น ความชื้นในดิน อุณหภูมิ ปริมาณแสง สารเคมี เป็นต้น ซึ่งเซ็นเซอร์ไร้สายจิ๋วเหล่านี้สามารถนำไปวางให้ครอบคลุมพื้นที่ฟาร์ม เซ็นเซอร์ไร้สายที่วงการอุตสาหกรรมเรียกกันว่า “ฝุ่นฉลาด” (Smart Dust) เหล่านี้สามารถคุยกันและส่งผ่านข้อมูลให้แก่กันและกันได้ หากเราสอบถามข้อมูลไปยังเซ็นเซอร์ที่อยู่ใกล้ที่สุดเพียงตัวเดียว ข้อมูลทั้งหมดของเซ็นเซอร์ทุกตัวก็จะสามารถถ่ายทอดมายังศูนย์บัญชาการของฟาร์มได้ทันที บริษัท Accenture แห่งประเทศสหรัฐอเมริกาได้สาธิตโดยการนำเอาเซ็นเซอร์จิ๋วไปโรยไว้ในไร่องุ่นสำหรับผลิตไวน์ที่ชื่อว่า Pickberry ในมลรัฐแคลิฟอร์เนีย ในแปลงสาธิตนั้นใช้เซ็นเซอร์ 17 ตัวครอบคลุมพื้นที่ซึ่งมีรูปร่างเหมือนหัวม้าจำนวน 10 ไร่ โดยสามารถคลิ๊กเพื่อเรียกดูข้อมูลได้จากเว็บ เบื้องต้นเครือข่ายเซ็นเซอร์ใช้เพื่อเก็บข้อมูลเรียลไทม์เท่านั้น แต่ต่อไปมันสามารถที่จะใช้ในการควบคุมการเปิดปิดวาล์วน้ำโดยอัตโนมัติ เพื่อให้น้ำแก่ต้นพืชในปริมาณที่เหมาะสม ซึ่งการควบคุมนี้ยังสามารถทำให้มีความสัมพันธ์กับข้อมูลพยากรณ์อากาศในท้องถิ่นด้วยก็ได้ เช่นหากทราบว่าจะมีฝนตกวาล์วน้ำจะปิด เครือข่ายเซ็นเซอร์เหล่านั้นยังอาจใช้เฝ้าระวังโรคพืช โดยตรวจจับโมเลกุลตัวบ่งชี้บางชนิดที่สื่อว่าพืชกำลังจะเป็นโรคก่อนที่จะลุกลามใหญ่โต เซ็นเซอร์จิ๋วเหล่านี้หากนำมาใช้กันอย่างกว้างขวาง มีการเชื่อมโยงข้อมูลจากแต่ละฟาร์มมายังผู้ให้บริการน้ำอย่างกรมชลประทาน ก็จะช่วยให้การจัดการน้ำเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ ซึ่งระบบ GIS (Geography Information System) จะช่วยให้ทราบว่ากรมชลประทานมีน้ำพอเพียงตลอดฤดูผลิตหรือไม่

(ภาพด้านบน - Remote Sensing; ภาพด้านล่าง - Proximal Sensing)