Trabajan en un monitor de calidad del agua y nariz electrónica inspirada en langostas

Los equipos dirigidos por Barani Raman y Dan Giammar de la Universidad de Washington en St. Louis, recibieron subvenciones del Acelerador de Convergencia de la Fundación Nacional de Ciencias por valor de 650.000 dólares.

Dos equipos de ingenieros dirigidos por profesores de la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis trabajarán en el desarrollo de productos para monitorear la calidad del agua potable y detectar explosivos con una nariz electrónica con subvenciones de un año de $650,000 para la Fase 1 del Acelerador de Convergencia de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

Barani Raman, profesor de ingeniería biomédica, y Daniel Giammar, profesor Walter E. Browne de ingeniería ambiental, dirigirán equipos de investigadores de la Universidad de Washington y otras instituciones y entidades financiadas bajo el programa Acelerador de Convergencia de la NSF, diseñado para abordar los problemas sociales a escala nacional. desafíos a través de la investigación de convergencia y hacer la transición de la investigación y el descubrimiento básicos a la práctica para resolver estos desafíos alineados con temas de investigación específicos. Entre los temas se encuentran  aplicaciones de detección química del mundo real , innovaciones de diseño bioinspiradas y  soluciones hídricas equitativas .

Raman y sus colaboradores han estado trabajando durante casi dos décadas para aprovechar el agudo sentido del olfato de los insectos en un sensor que podría usarse para detectar explosivos y en otras aplicaciones. Ahora darán un paso más al incorporar inteligencia artificial (IA) y nanotecnología para crear un sensor, o nariz electrónica, para detectar compuestos orgánicos volátiles explosivos.

Raman, profesor de ingeniería biomédica, trabajará con Shantanu Chakrabartty, antiguo colaborador de McKelvey Engineering, profesor Clifford W. Murphy en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de Preston M. Green; Srikanth Singamaneni, profesor de Lilyan & E. Lisle Hughes en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Ciencia de Materiales; y Braden Giordano, superintendente asociado de la División de Química del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.

Utilizando la información recopilada en su investigación sobre el desarrollo de sensores bioinspirados, el equipo planea crear un dispositivo nasal electrónico basado en nanopartículas y habilitado para IA que pueda usarse para recopilar y validar datos. Este dispositivo portátil de prueba de concepto fusionaría dos ideas : un gran conjunto de sensores químicos nanoestructurados con diversas funciones y los principios de detección e inteligencia artificial que ha identificado en el sistema olfativo de las langostas. Con los datos, planean desarrollar una biblioteca de firmas conocidas para varios vapores explosivos en diversos rangos de concentración.  

Además de detectar compuestos orgánicos volátiles, la nariz electrónica también podría usarse en biomedicina, seguridad nacional, monitoreo ambiental, tecnologías del cambio climático y la industria alimentaria y del sabor. El equipo planea trabajar con socios de la industria para adaptar el diseño a diversos usos. 

Raman y sus colaboradores han estado trabajando durante casi dos décadas para aprovechar el agudo sentido del olfato de los insectos en un sensor que podría usarse para detectar explosivos y en otras aplicaciones.

"Hace una década, todavía no teníamos la tecnología para desarrollar una nariz electrónica robusta y desplegable en el campo", dijo Raman. “Los recientes avances en el olfato biológico, combinados con avances en la ciencia de los materiales y la electrónica para el monitoreo remoto y a largo plazo, nos ayudaron a comprender los principios informáticos del olfato biológico. Además, las grandes mejoras en la inteligencia artificial, el aprendizaje automático y la ciencia de datos brindaron una nueva oportunidad para desarrollar un sistema robusto de detección química artificial ”.

Raman reconoce que un dispositivo con capacidades iguales a un sistema olfativo biológico como el de la langosta es un Santo Grial. Sin embargo, este nuevo plan de trabajo y diseño considerará los requisitos clave en diversas aplicaciones y desarrollará prioridades de capacidades necesarias en la tecnología de nariz electrónica.

En el segundo proyecto del Acelerador de Convergencia dirigido por McKelvey Engineering, Giammar, también director del Centro para el Medio Ambiente de la universidad, liderará un equipo en el desarrollo de una herramienta de monitoreo de la calidad del agua potable basada en filtros de agua en el punto de uso. La investigación se centrará en los residentes de comunidades desfavorecidas atendidas por pequeños sistemas públicos de agua y aquellos en ubicaciones urbanas atendidas por grandes sistemas de agua con una infraestructura obsoleta, así como aquellos que obtienen agua de pozos privados con menores requisitos de monitoreo.

El equipo evaluará la capacidad de los filtros de punto de uso disponibles comercialmente , como los filtros montados en grifos, para monitorear el cobre, el zinc, el manganeso, el cromo hexavalente, el arsénico, los microorganismos y las sustancias alquílicas perfluoradas y polifluoradas, o PFAS. los ampliamente utilizados “productos químicos permanentes” relacionados con daños al medio ambiente y a la salud humana.

"En entornos urbanos, las recientes crisis relacionadas con el plomo encontrado en el agua potable en Flint, Michigan, y Newark, Nueva Jersey, resaltan las amenazas a la salud pública que plantea el envejecimiento de la infraestructura de suministro de agua", dijo Giammar. “El marco de monitoreo existente a menudo no es suficiente para identificar la calidad del agua degradada para las poblaciones más afectadas, lo que hace que esto sea tanto una cuestión de justicia ambiental como una cuestión de calidad del agua”.

El equipo de Giammar incluye investigadores co-principales de WashU, incluidos Fangqiong Ling y Kimberly Parker, ambos profesores asistentes de ingeniería energética, ambiental y química en McKelvey Engineering, y Joe Steensma, profesor de práctica en la Escuela Brown; así como investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, incluido Steven Wilson, hidrólogo de aguas subterráneas y científico principal del Illinois State Water Survey, Thanh Huong Nguyen, profesor Ivan Racheff de Ingeniería Ambiental en Ingeniería Civil y Ambiental, y John Scott. , químico analítico senior del Centro de Tecnología Sostenible de Illinois.  

El proyecto de Giammar también cuenta con socios externos, incluido el Programa de Asistencia del Medio Oeste, la Asociación de Asistencia a la Comunidad Rural, la Asociación de Calidad del Agua y la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos.