Grip op geur: een elektronische neus die dierziekten op tijd herkent (en problemen voorkomt)

Wie de geur van een kop koffie feilloos herkent, staat er misschien niet bij stil dat onze eigen neus en hersenen een bijzondere prestatie leveren. Een geur is niet zomaar iets, maar bestaat vaak uit een complexe mix van gassen. Het detecteren en analyseren van die gassen is een proces dat steeds beter mogelijk is met sensoren en achterliggende technologie. Toch is de huidige generatie sensoren nog niet in staat een groot aantal verschillende gassen tegelijkertijd te detecteren. “Er zijn al best veel geursensoren commercieel verkrijgbaar, maar daarbij moet meestal de geur naar het apparaat gebracht worden,” vertelt Cas Damen, over de uitdagingen om met het OBSerVeD-project de komende jaren grote stappen te zetten naar een sensor die kleiner is, minder energie verbruikt en bovendien draagbaar wordt. Eentje die het de boer mogelijk maakt om door de stal te lopen en signalen op te pikken als er iets niet in orde is. “Met een tijdig telefoontje naar de dierenarts, kun je veel leed voorkomen.”

Dierziekten en geur

Het is een belangrijk uitgangspunt bij het onderzoek waarvoor Saxion als penvoerder namens een consortium van partners onlangs. Het project kreeg 5 miljoen euro toegewezen, waarvan Saxion 670.000 euro ontving. De komende jaren trekken verschillende hogescholen, universiteiten, bedrijven en maatschappelijke organisaties gezamenlijk op om de elektronische neus verder te ontwikkelen. Want dierziekten en geur hebben alles met elkaar te maken. Wanneer kippen in een stal besmet raken of parasieten bij zich dragen, produceren ze een specifieke geur. Een voorbeeld hiervan is de bloedluis. Het is goed mogelijk deze parasiet met milde middelen te bestrijden, als hij op tijd gedetecteerd wordt. Een schandaal als met het verboden bestrijdingsmiddel fipronil had hiermee wellicht voorkomen kunnen worden.

Chip-technologie en machine learning

Saxion richt zich binnen het omvangrijke OBSerVeD-onderzoek onder andere op ontwikkeling van de chip-technologie en machine learning. Voor die specifieke onderdelen is samenwerking gezocht met de Universiteit Utrecht, Technische Universiteit Delft, Universiteit Twente, Radboud Universiteit, Wageningen University & Research, de Haagse Hogeschool en Fontys. “Eén van de doelstellingen is om een chip te ontwikkelen, die verschillende sensor-kanalen bevat. Elk kanaal pikt een ander gas op. Wanneer je een complexe geur wilt detecteren, die uit veel verschillende gassen bestaat, moet deze nieuwe chip daarin voorzien. Zo’n chip  maakt analyses mogelijk die nu nog alleen met grote apparaten gedaan kunnen worden. Dat maakt de huidige generatie apparaten lastig hanteerbaar. Je kunt een kip niet naar zo’n apparaat brengen en erin laten ademen.”

Dierenwelzijn, veiligheid en gezondheid verbinden

Bij tijdige opsporing van dierziekten op pluimveebedrijven, wordt het met de nieuwe elektronische neus mogelijk om eerder maatregelen te nemen, bijvoorbeeld om diervoer aan te passen, en daarmee antibioticagebruik onnodig te maken. Ook draagt de elektronische neus bij aan de biologische veehouderij, waarbij het risico op verspreiding van dierziekten ironisch genoeg juist sterker aanwezig is door de vrije uitloopmogelijkheden van pluimvee. Vroegtijdige detectie van afwijkende geuren, maakt het mogelijk dierenwelzijn, veiligheid en gezondheid als belang te verbinden.

Vakgebieden en technieken combineren

“Wanneer we de data uit de sensoren analyseren met machine learning, combineren we een aantal vakgebieden en technieken om tot verschillende prototypes van een verfijnde elektronische neus te komen,” aldus Damen. “We kijken dus naar de relatie tussen de gezondheid van een dier en de geuren die daarbij vrijkomen. Aan de andere kant willen we ook onderzoeken welke interventies we kunnen ontwerpen op het moment dát we iets opsporen. Daarin vervullen de Universiteit Utrecht en Wageningen University & Research een belangrijke rol.

Toepassingen bij bosbranden of in de tuinbouw

Welke toepassingen zijn er buiten de kippenstal nog meer denkbaar? “Wanneer je in Zuid-Europa in uitgestrekte bosgebieden iedere 500 meter een sensormeting zou kunnen uitvoeren, is het mogelijk alarm te slaan voordat de rook van de bosbrand al boven de bomen kringelt. Denk ook aan het opsporen van drugslaboratoria of explosieven. Net als aan ongedierte in de glastuinbouw. Sensoren hebben de potentie om maatschappelijk fors bij te dragen aan veiligheid, preventie en minder voedselverspilling. Ook zijn er toepassingen om ziektes bij mensen op te sporen. Maar een mens breng je eenvoudiger naar een apparaat dan een dier.”

Subsidie met symbolische waarde voor het hbo

OBSerVeD is het eerste NWA-project waarbij een hogeschool penvoerder is. “Natuurlijk zijn we daar trots op,” aldus Damen. “Vooral omdat het laat zien dat een hogeschool bij dit soort projecten de lead kan nemen, om de verbinding te maken tussen maatschappelijke vraagstukken en de wetenschappelijke kennis die nodig is om ze op te lossen. Het is voor dit project een logische keus, maar tegelijkertijd een vernieuwende en eentje met symbolische waarde voor het hbo. We kunnen door onze leidende rol vanuit Saxion nu echt laten zien dat we die verbinding kunnen leggen en leiden. Vanuit het hbo nemen we de systeemkijk op het vraagstuk mee. Een brede blik, die technologie in dit geval verbindt met economische en sociale acceptatie. Natuurlijk is het de combinatie van partners in dit brede consortium waarmee we deze stappen inhoudelijk kunnen zetten.”

Meer dierziektes meten met één product

Hoe zien de komende zes jaar er uit? “We hebben in het project een generatiemodel benoemd. Een aantal technieken is al redelijk volwassen. Daar kunnen we vrij snel mee testen. Zo willen we ook het probleem rond bloedluis aanpakken. Ik hoop dat we daarmee over een jaar of vier resultaat boeken. We gaan de komende zes jaar op verschillende momenten prototypes opleveren. Per dierziekte willen we tot een optimaal ontwerp komen. We meten volop in stallen, waarna data-analisten weer met de resultaten aan de slag kunnen. Een stal is een uitdagende omgeving. De geur van mest en ammoniak wedijvert daar met de gassen die wij willen meten. Uiteindelijk hoop ik dat we meerdere dierziektes kunnen meten met één product.”

Fotografie Cas Damen: Thomas Busschers