Lidské oko, požární hlásič, kamera monitorující pohyb, rentgenový rám na letišti, speciálně vycvičený pes pro odhalení drog, antivirový program. Všechna tato „zařízení“ spojuje, že jsou schopny citlivě, rychle a přesně reagovat na specifický podnět z okolního prostředí.
Výsledkem takové reakce je rychlé otočení hlavy za letícím míčkem, červené světlo v protipožárním centru, policejní stanici či monitoru ostrahy letiště, štěkot či varovné okno na obrazovce našeho počítače, většinou doprovázené výstražným zvukovým signálem. I přesto, že každé zařízení funguje na velmi odlišném principu, můžeme je všechna zahrnout do velké skupiny s názvem senzory. 21. STOLETÍ hledalo odpověď na otázku, co vše lze považovat za senzor, kde se používají a jaké jsou jejich výhody.
Víme, co je senzor?
Dnes už dobře víme, že řada zvířat reaguje například před příchodem zemětřesení změnou chování. Doposud nevíme, proč tomu tak je. Podobné změny v chování živých organismů můžeme pozorovat i u jiných nebezpečných situací. Zjistilo se například, že ptáci jsou schopni rozpoznat místa s toxickými koncentracemi těžkých kovů a takové místo urychleně opustit. Člověk může tedy využít pro posouzení vlivu škodlivých látek řadu rostlinných a živočišných druhů. Pro samotné posouzení jsou především využívány změny v chování, tvaru, výskytu na daném místě, případně základní morfometrické údaje, jako je hmotnost, zbarvení, délka apod. I přes nesporný fakt, že jsou organismy schopny citlivě reagovat na blížící se nebezpečí, pro ochranu lidského zdraví a majetků je tento „typ“ senzorů příliš nespolehlivý, pomalý a v mnoha případech absolutně stále nepoznaný.
Příroda nám byla vzorem
Po vzoru organismů začalo lidstvo navrhovat a konstruovat zařízení, které jsou schopny reagovat citlivěji a rychleji než ta, „vyrobená“ přírodou. Definice nám říká, že senzor je jednoduchým technickým zařízením, které umožňuje snímat fyzikální veličinu (teplota, tlak, odpor, hmotnost a mnoho dalších). Získaný signál je následně přenesen přes další elektronické součástky, která můžeme souhrnně pojmenovat jako převodník, do části vyhodnocovací. Tu představuje většinou mikroprocesor řízený programem.
Neuronová síť učí senzory
Obyčejný program již nestačí a cílem výzkumu ve 21. století je navrhnout a používat inteligentní a samo učící se senzory, které mají řídicí program, vycházející z neuronové sítě napodobující chování lidského mozku. Samotnou neuronovou síť si lze představit jako matematický model, obsahující řadu různých výpočtových prostředků, který umí poznávat, vyhodnocovat a učit se z vnějších podnětů podobně jako neurony v našem mozku.
Jak pozná senzor, co má měřit?
Hlavním a nejvýznamnějším úkolem každého senzoru je citlivé a přesné rozpoznání toho, co má rozpoznat (?!) Proto je v řadě případů naprosto nezbytné využívat unikátních součástek. Přesto mají „obyčejné senzory“ často značné obtíže při rozlišení jednotlivých látek (rozpoznání různého druhu plynu, kapaliny). Řada výzkumných pracovišť po celém světě se snaží tento složitý úkol vyřešit.
Pomoci mohou bílkoviny
Jedním takovým řešením je využít látky pocházející z organismů. Vědci si povšimli, že některé bílkoviny jsou schopny reagovat pouze s jedinou látkou. Příkladem nám může být jedna poměrně běžná bílkovina (enzym), která štěpí močovinu, jiným názvem urea. Enzym se podle své funkce jmenuje ureáza. Zjistilo se, že ureáza není schopna své funkce v přítomnosti těžkých kovů. Ale co navíc, tato schopnost se dramaticky mění podle přítomného těžkého kovu. Už zde tím pádem máme potenciální nástroj pro analýzu hladiny těžkých kovů v prostředí. Podobně se podařilo objevit bílkoviny pocházející z bakterií, schopné rozpoznávat yperit. Takových příkladů je možné uvést tisíce. Nyní ovšem vyvstává otázka, jak jsme schopni tyto unikátní vlastnosti využít? Odpověď na tuto otázku není jednoduchá, ale lze říci, že jsme schopni spojit tuto „živou“ část s částí v podobě přístroje. Po tomto spojení získáváme unikátní zařízení, které vzhledem k nabytým vlastnostem získaly název biosenzory.
První biosenzor
Cukrovka (úplavice cukrová, diabetes mellitus) je vážné metabolické onemocnění poruchou tvorby inzulinu (hormonu, který snižuje hladinu krevního cukru – glykémii) ve slinivce břišní. Objevitelům inzulinu Frederikovi Bantingovi a J. J. R. Macleodovi byla v roce 1923 udělena Nobelova cena za medicínu. Prvním člověkem, který byl léčen inzulinem, byl Leonard Tompson, 14letý chlapec, který tak mohl žít ještě dalších 13 let. Biochemická podstata funkce inzulinu byla vysvětlena až v roce 1955 Frederikem Sangerem, který zato získal v roce 1958 Nobelovu cenu za chemii.
Tyto převratné objevy nutně postavily medicínu před nový, velký a závažný problém. U pacientů s cukrovkou, kterým se inzulin dávkoval, se objevily nebezpečné nežádoucí příznaky spojené s prudkým poklesem hladiny krevního cukru, které vedly i ke smrti. Běžné klinické laboratoře nebyly schopny na takový stav reagovat. Jedinou možností bylo přiblížit laboratoř nemocnému. To se skutečně podařilo a v roce 1962 Leonard C. Clark představil velmi jednoduchý biosenzor na měření glukózy v krvi. Vycházel z bílkoviny, která má schopnost rozložit glukózu na peroxid vodíku. Během uplynulé doby se glukózové biosenzory staly běžnou součástí výbavy nemocného cukrovkou. Navíc se připravují takové, které nebudou vyžadovat nepříjemné píchání do prstu za účelem odběru krve a navíc budou schopny dávkovat inzulin automaticky vždy, když bude třeba.
Co umí senzory a biosenzory na počátku 21. století?
Epidemiologové (lidé, kteří se zabývají sledováním nemocí, jejich šířením a především jejich následným potlačením) se připravují na rozšíření smrtící chřipkové epidemie. Jejich obavy jsou podloženy řadou nezvratných vědeckých dat. Aby bylo možné takovou epidemii zavčas odhalit a zahájit nezbytná opatření, je potřeba odhalit včas její ohnisko. Právě k tomu nám mohou sloužit biosenzory. V této oblasti se také uplatňují čeští vědci, kteří vytvořili speciální miniaturní zařízení. To rozpozná virus ptačí chřipky H5N1 (jeden z potenciálních kandidátů na smrtící epidemii) za dobu kratší než 30 minut. Rychlá detekce viru je pro úspěšnost razantní akce klíčovým momentem. Podobně tak je možné rychle rozpoznat viry velmi nebezpečných nemocí, jako je ebola nebo horečka dengue. Jistě není daleko doba, kdy takové senzory budou zabudovány na palubách dopravních letadel, kde je riziko nákazy nejvyšší.
Změna klimatu: Senzory pro planetu Zemi
Rozvoj lidské společnosti s sebou přináší řadu závažných problémů různého druhu a povahy, které se mohou odrazit v životním prostředí a následně tak ovlivnit celou planetu. Zcela nedávno vyšla zpráva Programu OSN pro životní prostředí (UNEP), která hodnotí vliv člověka na prostředí, ve kterém žije. V současnosti je velmi dobře pozorovatelný vztah lidské činnosti ke změně prostředí promítající se především v průměrném nárůstu globální teploty Země. O takových závěrech není třeba pochybovat, protože jsou podpořeny dlouhou řadou pozorování a následného matematického zpracování (Panel klimatické změny WMO). Dále existuje celá řada dalších skutečností, jako je vymírání druhů planě rostoucích rostlin a volně žijících živočichů, snižující se zásoby pitné vody, poškozování půdy, ukládání nebezpečných látek, pocházejících ze zemědělské výroby atd. Tam všude se významně projevuje „neviditelná ruka člověka“. Všechny tyto závěry by bez senzorů nebylo možné vyvodit a rozpoznat.
Změny počasí se pečlivě sledují
Teprve v posledním desetiletí přichází technologie, umožňující jak citlivé stanovení, tak dlouhodobější monitoring změn klimatu. Velký pokrok v možnostech pravidelných měření přinesl rozvoj elektroniky. Výkonné procesory umožňující analýzu velkého množství dat v krátkém časovém okamžiku. V případě, že k takovému elektronickému zařízení připojíme speciálně upravený detektor, získáme unikátní nástroj pro pravidelný monitoring. Takový detektor (senzor) je schopen v prostředí zaznamenávat danou fyzikální veličinu, tu přenášet pomocí převodníku do vyhodnocovací jednotky a vyškolená obsluha je následně schopna profesionálně zasáhnout. Intenzita vzorkování je libovolná, přičemž nejmodernější technologie dnes nabízí možnost sbírat data v řádu sekund a méně. Tento fakt tak nabízí možnost odhalit i velmi drobné změny. Navíc data je možné přenášet na vzdálenější místa za využití krátkovlnných vysílačů či družicového systému. Senzory na měření fyzikálních veličin, především těch pro monitoring počasí, jsou asi na nejpokročilejším stupni automatizace, sběru a vyhodnocení dat. Automaticky uspořádaná zařízení jsou schopna běžně analyzovat řady fyzikálních parametrů (teplota, vlhkost, vítr, tlak, záření, srážky, vlhkost půdy, rosa, dohlednost atd.).
Miniaturizace a nanotechnologie
V prosinci roku 1959 vystoupil americký fyzik a pozdější nositel Nobelovy ceny za fyziku Richard Phillips Feynman na konferenci Americké asociace fyziků, kde prohlásil, že na základě jeho znalostí nevidí žádný důvod, který odporuje možnosti pohybovat věcmi atom po atomu. Od této přednášky uplynulo téměř padesát let a vědci dostáli slovům tohoto velmi slavného fyzika. Proces miniaturizace dnes zasahuje do všech vědních disciplín od samotné fyziky, přes chemii až po biologii a medicínu. Samotná miniaturizace se dá definovat jako technologická snaha zmenšit zařízení využívaná člověkem. Nejprve se tato snaha dotkla mechanických, následně optických a v poslední době elektronickým zařízením. Pro účel analýzy životního prostředí jsou navrhovány různé typy miniaturizovaných senzorů. Nanotechnologie v této oblasti přinášejí řadu dalších doposud netušených možností.
21. STOLETÍ VYSVĚTLUJE
Co je to neuronová síť?
Neuronová síť je matematický program, který se snaží simulovat zpracování a vyhodnocení dat. Vychází z poznatků o procesech probíhajících v lidském mozku. Program je tvořen vrstvou vstupních neuronů a vrstvou neuronů vyhodnocovacích.
Kde se tvoří inzulin?
Inzulin je hormon snižující hladinu krevního cukru. Je vytvářen Langerhansovými buňkami ve slinivce břišní.
Rok planety Země
Valné shromáždění Organizace spojených národů, které se konalo v lednu 2006 v New Yorku, vyhlásilo rok 2008 Mezinárodním rokem planety Země. Všechny akce a aktivity vázané na tento mezinárodní rok zahrnují kalendářní období let 2007 až 2009. Podtitulkem Mezinárodního roku je heslo „Geovědy pro společnost
21. STOLETÍ UPŘESŇUJE
Co jsou to nanotechnologie?
Jako nanotechnologie se obecně označuje technický obor, který se zabývá tvorbou a využíváním technologií v měřítku řádově nanometrů (obvykle cca 1–100 nm), tzn. 10−9 m (biliontiny metru), což je přibližně tisícina tloušťky lidského vlasu.
