Zespół Fizjologii i Etologii Owadów w Instytucie Biologii, Biotechnologii i Ochrony Środowiska (Wydział Nauk Przyrodniczych UŚ) pod kierownictwem dr. Michała Krzyżowskiego realizuje projekt wspólnie z firmą Sniphi. Cyfrowy Nos ma służyć bezinwazyjnemu wykrywaniu i zwalczaniu szkodników, zwłaszcza owadów żerujących na transportowanych produktach.
Cyfrowy Nos wykorzystuje analizę związków organicznych (VOC), wspieraną przez czujniki tlenków metali z modulacją temperatury i algorytmy sztucznej inteligencji. Każdą zamkniętą jednostkę – taką jak kontener, silos czy worek magazynowy – można zeskanować i zweryfikować. Dzięki wykorzystaniu sztucznej inteligencji system „uczy się”, jak powinien pachnieć czysty, niezainfekowany produkt, a następnie automatycznie wykrywa odchylenia, które mogą wskazywać na aktywność biologiczną, na przykład wczesne stadium infestacji.
We współpracy z naukowcami zostały przeprowadzone badania laboratoryjne na zbożach i roślinach strączkowych, w tym na fasoli mung i płatkach owsianych oraz przy użyciu mącznika młynarka (Tenebrio molitor) i trojszyka gryzącego (Tribolium castaneum). We wszystkich testach Cyfrowy Nos konsekwentnie odróżniał próbki zainfekowane od niezainfekowanych, wykazując wysoką niezawodność i powtarzalność.
Dr Michał Krzyżowski tłumaczy, dlaczego rozwiązanie proponowane przez ekspertów z UŚ i Sniphi jest w wielu przypadkach wygodniejsze i szybsze niż dotychczas powszechnie stosowane metody.
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Czy poza wyszukiwaniem szkodników narzędzie może wykrywać też inne niepożądane substancje i organizmy?
DR MICHAŁ KRZYŻOWSKI: Tak, i to jest jedna z istotnych zalet podejścia opartego na detekcji VOC (lotnych związków organicznych). Czujniki VOC nie „rozpoznają” konkretnych gatunków czy organizmów, lecz rejestrują zmiany w składzie chemicznym powietrza, które odzwierciedlają procesy biologiczne lub chemiczne zachodzące w próbce. To oznacza, że narzędzie może być wykorzystane nie tylko do wykrywania szkodników i patogenów, ale także do identyfikacji innych odchyleń zapachowych np. procesów fermentacji, psucia się produktów, wzrostu pleśni i bakterii, obecności zanieczyszczeń chemicznych i degradacji opakowań.
W praktyce oznacza to, że system można traktować jako ogólny czujnik anomalii metabolicznych lub chemicznych w zamkniętym środowisku. Przy odpowiednim uczeniu modeli rozpoznawania wzorców zapachowych może on działać jako narzędzie wczesnego ostrzegania nie tylko w logistyce rolniczej, ale też w łańcuchu żywnościowym, farmacji, czy magazynowaniu surowców.
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Jak dokładnie wygląda metoda i czy rzeczywiście jest bezinwazyjna?
DR MICHAŁ KRZYŻOWSKI: Metoda polega na umieszczeniu sensora gazowego w zamkniętym pojemniku lub komorze, w której znajduje się monitorowany materiał (np. ziarno, nasiona, produkty roślinne). Sensor analizuje skład powietrza znajdującego się nad powierzchnią próbki, w którym akumulują się lotne związki organiczne oraz inne gazy będące produktami metabolizmu organizmów żywych lub procesów chemicznych zachodzących w materiale.
Pomiar odbywa się bez otwierania opakowania i bez fizycznego kontaktu z próbką. Czujnik rejestruje jedynie zmiany w składzie gazowym atmosfery, które są wskaźnikiem aktywności biologicznej lub chemicznej. Dzięki temu metoda nie ingeruje w badany materiał i eliminuje ryzyko kontaminacji, dodatkowo nie wymaga pobierania, rozsypywania ani niszczenia próbki oraz ogranicza potrzebę prowadzenia kosztownych i czasochłonnych analiz laboratoryjnych. W odróżnieniu od metod tradycyjnych, technika oparta na analizie atmosfery dostarcza informacji w czasie rzeczywistym i może być stosowana bezpośrednio w łańcuchu logistycznym, np. w magazynach, kontenerach lub silosach, bez przerywania procesów transportowych.
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Jakie są główne wskaźniki, że coś niewłaściwego może się dziać z badaną próbką?
DR MICHAŁ KRZYŻOWSKI: Obecność owadów w badanej próbce wiąże się z ich aktywnością metaboliczną, której produkty mogą być wykrywane przez nasz system. Każda anomalia w składzie gazów nad próbką stanowi potencjalny sygnał zasiedlenia jej przez szkodniki lub wystąpienia innych procesów biologicznych. Większość takich procesów charakteryzuje się unikalnym profilem emisji lotnych związków organicznych, co umożliwia ich identyfikację na podstawie specyficznych wzorców chemicznych obecnych w analizowanej atmosferze.
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Dlaczego proponowane rozwiązanie jest lepsze od stosowanej powszechnie bioakustyki czy eDNA? Czy są być może jakieś słabe strony „Cyfrowego Nosa”?
DR MICHAŁ KRZYŻOWSKI: Główną zaletą naszego rozwiązania w porównaniu z metodami bioakustycznymi czy analizą eDNA jest jego szybkość, prostota i skalowalność. Pomiar trwa około 15 minut, nie wymaga udziału wykwalifikowanego personelu ani przygotowania próbki, a sam czujnik może pracować w warunkach terenowych lub logistycznych bez potrzeby otwierania opakowań. W przeciwieństwie do bioakustyki, która jest podatna na zakłócenia środowiskowe oraz wymaga bezpośredniego kontaktu z materiałem, nasze rozwiązanie działa w pełni bezinwazyjnie i stabilnie nawet w zróżnicowanych warunkach transportowych. Z kolei metody oparte na analizie eDNA (DNA pozostawionego przez organizmy w środowisku), choć bardzo czułe i precyzyjne gatunkowo, są czasochłonne, kosztowne i wymagają laboratorium, co ogranicza ich użyteczność operacyjną. Nasze podejście stanowi więc kompromis pomiędzy czułością a praktycznością: zapewnia wystarczająco wysoką zdolność wykrywania aktywności biologicznej przy minimalnych wymaganiach sprzętowych i proceduralnych.
Do potencjalnych ograniczeń należy zaliczyć to, że metoda nie identyfikuje jednoznacznie gatunku organizmu, a jedynie sygnalizuje obecność aktywności biologicznej. Wymaga też kalibracji i budowy baz referencyjnych wzorców zapachowych dla poszczególnych grup produktów i warunków środowiskowych.
Dr Michał Krzyżowski | archiwum prywatne
Kontakt ws. projektu
- Bartosz Baran (Zespół Fizjologii i Etologii Owadów) – tel. 786 151 198
- Emil Karpiński (Sniphi) – tel. 518 748 589
Układ składający się na Cyfrowy Nos | Materiały dr. Michała Krzyżowskiego
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Czy jest zainteresowanie komercyjne na tego typu produkt? Czy rozwiązanie jest już gdzieś wykorzystywane?
DR MICHAŁ KRZYŻOWSKI: Tak, istnieje wyraźne i rosnące zainteresowanie komercyjne technologiami umożliwiającymi wczesne, nieinwazyjne wykrywanie aktywności biologicznej w towarach rolnych. Wraz z globalnym wzrostem przepływu surowców oraz nasileniem presji biologicznych, szczególnie w kontekście zmian klimatu, rośnie zapotrzebowanie na skalowalne metody preselekcji kontenerów i magazynów. Sektor logistyczny, służby fitosanitarne oraz przemysł spożywczy poszukują narzędzi pozwalających ograniczyć straty i ryzyko fitosanitarne bez potrzeby otwierania i ręcznej inspekcji każdej partii towaru.
Rozwiązania oparte na monitorowaniu gazów (CO₂, O₂) i związków lotnych znajdują już częściowe zastosowanie w komercyjnych systemach przechowywania zbóż, zwłaszcza w USA, Australii i Azji, głównie w kontekście kontroli jakości i wczesnego wykrywania psucia się surowca. Oznacza to, że rozwiązanie, nad którym pracujemy, łączące wykrywanie lotnych związków organicznych z analizą wzorców metabolicznych dla preselekcji kontenerów wpisuje się w globalny trend technologiczny i odpowiada na realne potrzeby rynku, przy jednoczesnej luce wdrożeniowej. Mamy więc zarówno potwierdzone zainteresowanie komercyjne, jak i możliwość pierwszego praktycznego wdrożenia tej technologii w skali operacyjnej.
WERONIKA CYGAN-ADAMCZYK: Dziękuję za rozmowę.