Cенсорна індустрія — шлях у наукоємне майбутнє України?

Людина відчуває навколишній світ і реагує на його різноманітність. Щоб сприймати світло, звуки, рух, запахи, больові відчуття і на основі цього передбачати наслідки дій різних зовнішніх факторів, природа наділила живі організми великою кількістю чутливих органів, які сучасною науковою мовою прийнято називати сенсорами. Людину наділено досить великою кількістю типів сенсорів (за теперішніми уявленнями фізіологів — сімома). Однак деякі тварини, комахи і навіть рослини мають досконаліші й чутливіші сенсори до певних зовнішніх факторів. Загальновідома висока чутливість собак до запахів, підземних тварин до землетрусів, перелітних птахів до магнітного поля, дельфінів, кажанів, деяких комах до надвисокочастотних звукових сигналів, здатність сов та деяких тварин бачити в інфрачервоному світлі тощо.

Існує й безліч інших зовнішніх дій, не доступних для наших природних сенсорів. Це, наприклад, електромагнітні сигнали радіо-, телевізійного та надвисокочастотного діапазону, які наші органи чуття не сприймають, але які людство з успіхом опанувало, створивши відповідні передавачі та приймачі. Адже радіоприймач так само є сенсором: спершу радіохвилі індукують струм в антені, потім цей струм посилюється і з нього видобувається закодований корисний акустичний сигнал (музика чи мова диктора).

У певному сенсі кожен сенсор діє саме так: спершу фізичний чи хімічний ефект «сигналізує» про наявність зовнішнього фактора, а потім сигнал від ефекту посилюється і обробляється. Важливо лише знайти ефект, чутливий саме до фактора, що нас цікавить, а потім забезпечити на виході якісний сигнал, який однозначно «говорить» про те, що ж саме відбувається. Часом це досить складно: наприклад, коли потрібно сконструювати систему, яка реагує лише на певний газ (як-от вибухонебезпечний метан), а інших «не помічає». Але науковці та інженери навчилися створювати десятки тисяч різних сенсорів, що реагують саме на потрібні для них збудники.

Проте створення великої кількості сенсорів навіть щодо звичайних для людини факторів все ще є проблемою. Серйозні проблеми постають і у зв’язку з необхідністю автоматизації різних видів виробництва, коли під час певних операцій украй важливо максимально точно контролювати часові та просторові координати, визначати значення фізичних величин — тиску, температури, лінійних і кутових переміщень тощо. А виробництва хімічної, нафтогазової, видобувної, переробної та інших галузей потребують точної інформації про наявність (чи відсутність) тих або інших речовин і сполук, про їхні концентрації. Особливо це важливо щодо речовин вибухонебезпечних чи токсичних (згадаймо проблему наявності метану в шахтах, «оплачену» життями багатьох гірників).

При цьому згадану інформацію потрібно отримувати в реальному масштабі часу і без спотворень передавати в інформаційні системи, що її обробляють, або ж в інтелектуальні системи, які здійснюють аналіз цієї інформації і видають варіанти для ухвалення управлінських рішень.

Тому існує гостра необхідність у створенні широкої номенклатури сенсорів (датчиків) по суті нового покоління, що відповідали б якісно новим вимогам, головною з яких є якісний первинний сигнал.

Створенням досконалих сенсорів займається важлива галузь науки і техніки — сенсорна індустрія. У кожен її продукт вкладено «інтелектуальний капітал»: адже сучасний сенсор використовує комплекс фізичних і технічних процесів, включає електронну обробку сигналу та його виведення на детекторну систему у вигляді світло- чи радіосигналу.

В Україні цей новий науково-технічний напрям, що виник на стику різних споріднених наукових дисциплін і дістав назву «сенсорна електроніка», представлений дуже серйозно і включений у систему міжнародного розподілу праці. Професор Одеського національного університету ім. Іллі Мечникова Валентин Сминтина є членом Міжнародного союзу з сенсорики. На базі ОНУ регулярно проводиться Міжнародна конференція «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології» (СЕМСТ), у програмному комітеті якої — провідні фахівці з різних країн світу (України, Росії, країн ЄС, США та ін.). Результати розвитку сенсорної тематики регулярно висвітлює науковий журнал «Сенсорна електроніка та мікросистемні технології».

Українські вчені та інженери беруть активну участь у дослідженнях і практичній розробці мікро- та наноелектронних датчиків, інтелектуальних систем. Їхні досягнення узагальнено у фундаментальній роботі «Створення мікроелектронних датчиків нового покоління для інтелектуальних систем» (автори Ярослав Лепіх, Юрій Гордієнко, Сергій Дзядевич, Анатолій Дружинін, Анатолій Євтух, Сергій Лєнков, Володимир Мельник, Володимир Романов — представники наших провідних університетів, інститутів НАН, галузевих установ). Вона підсумовує матеріали понад 400 публікацій, зокрема й у провідних міжнародних виданнях з високим імпакт-фактором. Цю роботу, окремі частини якої підтримані міжнародними грантами за програмами INTAS, INCO-COPERNICUS, Сьомою рамковою програмою ЄС тощо, представлено на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2010 року.

Серед близько 50 нових типів датчиків, створених авторським колективом, є, зокрема, і біосенсори — гібридні аналітичні системи на стику «живого» і «неживого», які мають високу чутливість і селективність до певних важливих для живого організму метаболітів. Біосенсори дають можливість досліджувати біохімічні процеси в живих організмах у реальному масштабі часу і після певної обробки інформації передавати її радіоканалом на великі відстані, відображати на дисплеї персонального комп’ютера тощо. Біосенсори можуть застосовуватися не тільки в медицині, а й у харчовій промисловості, системі моніторингу навколишнього природного середовища (де вони ефективно виявляють небезпечні забруднення повітря та води).

Цілком закономірно, що отримані українськими вченими результати вилилися в замовлення на конкретні прилади та системи, зокрема на портативну інтелектуальну систему «Флоратест». Розроблену авторами низку нових оригінальних типів датчиків і систем було продемонстровано на міжнародній конференції СЕМСТ-4, яка нещодавно відбулася в Одесі і викликала інтерес у представників реального сектору економіки.

Конференція СЕМСТ-4 була цікава ще й тим, що дала змогу систематизувати найважливіші внески вчених і розробників України в розвиток сенсорної тематики та визначити подальші пріоритети. Вона продемонструвала: сьогодні позиції України в галузі сенсорики на міжнародному рівні досить сильні. Ми вміємо не лише пропонувати ідеї нових сенсорів, а й утілювати їх у життя.

(Хоча за певними напрямами, як-от у графеновій тематиці, що нині інтенсивно розвивається в усьому світі, ми істотно відстаємо. А тим часом саме від графену — моноатомного шару вуглецю, з упорядкованими в шестикутні «стільники» атомами, вперше отриманого на діелектричній підкладці 2004 року, — очікують нових «проривних» результатів у сенсориці. Адже графеновий сенсор мікронних розмірів здатен «відчути» одну-єдину молекулу певного газу! Астрономічна вартість перших зразків графену призводила до того, що в цій сфері в Україні могли працювати лише теоретики. Але поява у світі в останні місяці «дешевого» графену на основі масового виробництва відкриває шанси й для наших експериментаторів).

Водночас конференція СЕМСТ-4 ще раз усім нагадала: виробництво «серійних» сенсорів масового споживання є сьогодні відносно «дешевим» порівняно з іншими галузями сучасної електроніки, які використовують дуже дорогі сучасні технології (на них в Україні фатально бракує серйозних інвесторів). Отже, це виробництво, що вже успішно розвивається в Україні, може стати ефективним шляхом у наукоємне майбутнє держави, потягнувши за собою, як локомотив, інші галузі електроніки. Всі необхідні передумови для цього ми сьогодні маємо. Уточнимо — все ще маємо!