Если в кране нет воды… значит сработали моллюски

В Варшаве судьбу водопровода решают восемь моллюсков. Не инженеры, не лаборанты с пробирками, не автоматические анализаторы за миллионы злотых, а обычные речные беззубки размером с ладонь, выловленные в чистых водоемах. Они сидят в проточных резервуарах на главной насосной станции, фильтруют воду и… всё. Пока створки раковин открыты – два миллиона человек получают воду из кранов. Стоит моллюскам почуять что-то неладное и захлопнуться – подача автоматически блокируется по всему городу.

Никаких сложных протоколов. Никакой многоступенчатой верификации. Моллюск закрылся – значит всё, в воде что-то не то. Иди, запускай анализаторы и системы очистки. И эта система, основанная на инстинкте выживания существ возрастом 400 миллионов лет, работает надежнее большинства технологических решений. Потому что эволюция ^[1] – чертовски хороший инженер.

Биосенсоры в истории

Прежде чем мы перейдем непосредственно к польским моллюскам, давайте немного окунемся в историю. Одним из самых известных случаев применения биосенсоров в истории считаются канарейки, которых шахтеры брали с собой под землю.

В отличие от человека, канарейки реагировали на смертельные концентрации угарного газа и метана очень быстро – буквально за минуты. Причем реакция ^[2] была легко читаемой: птица переставала петь, падала с жердочки, теряла сознание, что давало шахтерам критически важное время для эвакуации. По сути, канарейка работала как живой пороговый датчик: пока поет – система в норме, замолчала – авария. Простота считывания показаний и надежность сделали этот «биосенсор» стандартом на десятилетия, вплоть до 1980-х годов в Великобритании.

За счет чего же происходила такая быстрая реакция? Дело в том, что у птиц, из-за их быстрого метаболизма и необходимости усвоения большого количества кислорода ^[3], есть сложная система однонаправленной вентиляции легких, которую часто называют «двойным дыханием ^[4]». 

В отличие от нас, млекопитающих, где воздух входит и выходит через одни и те же пути, у птиц воздух сначала попадает в задние воздушные мешки, затем при выдохе проходит через легкие в передние мешки, и только потом выводится наружу. Это означает, что кислород извлекается из воздуха и на вдохе, и на выдохе. Впрочем, как и любые токсичные примеси тоже, усиливая воздействие последних.

Но почему же шахтеры выбирали именно канареек? Помимо физиологической чувствительности к газам, свойственным многим птицам, канарейки обладали набором практических преимуществ: они были недорогими, хорошо переносили содержание в клетках, и главное – много пели, создавая естественный звуковой «индикатор состояния». Внезапная тишина в шахте была мгновенным сигналом тревоги, который не требовал постоянного визуального контроля за птицей.

История с канарейками настолько прочно вошла в культурный код, в том числе в IT, что термин «канарейка в шахте» массово используется в случаях, когда нужно описать раннюю систему предупреждения. Так, в процессе деплоя существует практика “канареечного тестирования” или “канареечного деплоя” – когда новую версию приложения сначала запускают на небольшом проценте серверов или для ограниченной группы пользователей (обычно 1-5% трафика). Если метрики начинают «задыхаться»: растет количество ошибок, падает производительность, ломается что-то критичное, тогда деплой откатывают, не затронув основную массу пользователей. Только если «канарейка поет» (все показатели в норме) в течение определенного времени, обновление раскатывают на всю инфраструктуру.

̶K̶u̶r̶v̶a̶ ̶b̶o̶b̶r̶ Пан Моллюск

Но вернемся к моллюскам в Варшаве. В настоящий момент столица Польши использует ^[5] несколько речных беззубок (Anodonta anatina) для мониторинга качества питьевой воды. Так, на главной насосной станции, забирающей воду из Вислы, “установлено” 8 моллюсков в специальных проточных резервуарах. К каждой раковине прикреплен датчик, который непрерывно отслеживает степень ее открытия и передает данные в систему. 

Моллюски постоянно фильтруют воду для питания – один моллюск пропускает через себя до 1,5 литров воды в час. Если в воде появляются токсичные примеси, моллюски инстинктивно захлопывают раковины, чтобы изолироваться от загрязненной среды. Датчики это фиксируют, и система автоматически перекрывает подачу воды в городскую сеть, одновременно поднимая тревогу для запуска лабораторных анализов.

И снова, как и канарейки, каждый моллюск работает как биологический (откалиброванный сотнями лет эволюции) пороговый датчик. При этом система реагирует на широкий спектр загрязнителей, которые химические датчики могут не распознать или распознать с задержкой. Правда, такая система на скажет, ЧТО именно в воде, зато false positive rate – минимальный.

Подготовка и ротация «живых датчиков»

Моллюсков для станции вылавливают в чистых водоемах и подвергают двухнедельной акклиматизации в лабораторных условиях. За это время ученые определяют естественную степень открытия раковины каждой особи – проводят своего рода калибровку биосенсора. После трех месяцев “работы” моллюсков возвращают в тот же водоем, откуда их взяли, предварительно маркируя, чтобы случайно не выловить повторно. Зачем нужна такая ротация? Чтобы предотвратить адаптацию к воде, которую они мониторят – со временем чувствительность может снизиться.

Если добавить немного ML, все становится лучше

Варшава – не единственный город, где использующий биосенсоры для отслеживания качества воды. В США аналогичная система работает в Миннеаполисе – там 12 моллюсков круглосуточно мониторят качество воды из реки Миссисипи. А в Сингапуре Национальное водное агентство PUB (Public Utilities Board) совместно с Институтом исследований информационных и коммуникационных технологий (I²R) разработало ^[6] систему Fish Activity Monitoring System (FAMS) – автоматизированный комплекс видеоаналитики поведения ^[7] рыб для раннего обнаружения загрязнений воды.

Система работает следующим образом: в специальных резервуарах содержатся группы пресноводных рыб – суматранских барбусов (Puntigrus tetrazona), по 20 особей в каждом резервуаре. Каждый резервуар оснащен видеокамерами, установленных с двух ракурсов: сверху и сбоку. ПО на основе компьютерного зрения ^[8] постоянно анализирует несколько параметров группового поведения ^[9] рыб: уровень активности, степень разрозненности или кластеризации рыб в пространстве и уровень социального взаимодействия. В зависимости от поведения барбусов система выдает несколько уровней предупреждения, а в случае гибели половины рыб, полностью блокирует подачу воды.

В Сингапуре система работает с 2012 года. Со временем ее коммерциализировали ^[10] и под брендом Aquapro теперь продают в Китай, Тайвань, США, Австралию и страны Ближнего Востока.

Ты пчела ^[11], я пчеловод, вместе ищем мины, вот

История человечества знает много примеров использования живых организмов в качестве датчиков (в рамках этой статьи мы намеренно оставим за скобками этичность этого использования). К примеру, те же собаки отлично ищут взрывчатку и пропавших людей. Однако главным в этом процессе становится масштабируемость опыта ^[12] и скорость обучения ^[13].

В Южной Корее получила известность собака-сапер Квин, прошедшая всего три дня обучения (обычно собакам требуется 4-5 месяцев для того, чтобы “встать в строй”) и непрофильно обнаружившая в саду тело жертвы во время резонансного дела об убийстве двух школьниц, сделав то, что не смогли сделать 30.000 полицейских, прочесывающих эту местность в течение месяца. Корейская полиция так высоко оценила талант Королевы, что заказала 5 клонов ^[14] этой собаки.

Но это скорее дорогостоящее исключение, потому что стандартная скорость обучения пса – все те же 4-5 месяцев. Чтобы разрешить это противоречие, ряд исследователей предлагает использовать пчел. Дело в том, что пчелу можно “настакать” на взрывчатку буквально за несколько часов. Для этого пчелу помещают в специальную трубку, где подают пары тротила, C-4, пластита или других взрывчатых веществ, и сразу после этого дают каплю сахарного сиропа. После 5-6 повторений пчела начинает ассоциировать запах ^[15] взрывчатки с наградой и при детектировании целевого вещества рефлекторно вытягивает хоботок, как если бы собиралась пить нектар. 

Далее начинаются высокие технологии:

Шаг первый: Одна пчелиная семья совершает десятки тысяч вылетов в день, покрывая площадь до 2 км². Во время полетов пчелы контактируют со всеми средами – воздухом, растениями, почвой, водой – и микроскопические частицы взрывчатки (как пары, так и твердые частицы) оседают на волосках их тела. Возвращаясь в улей, пчелы проходят через специальный преконцентратор – полоску из фторполимера Aflas, которая собирает следы взрывчатки с их тел. Затем преконцентратор нагревают, десорбируя взрывчатку, и анализируют с помощью оптических химических сенсоров на основе органических полупроводников, которые флуоресцируют при контакте с нитросоединениями. Этот метод подтверждает присутствие взрывчатки на подозрительной территории и используется для первичного скрининга больших площадей.

Шаг второй: после детекции определенного взрывчатого вещества, пчелы дополнительно дообучатся на нём, после чего в небо запускается дрон. Дрон с помощью камер и опять же компьютерного зрения, анализирует траектории полета и точки концентрации пчел. 

Пишут, что технология была успешно опробована ^[16] в Хорватии, где после Балканской войны осталось множество заминированных территорий. Однако, несмотря на высокие показатели – технология обнаружения (позвольте называть это так) имеет главное ограничение – пчелы полностью забывают ^[17] о “выученном” запахе за 3-5 дней и требуют постоянного переобучения.

Там, где человек слишком медленный

Если верить вот этим исследованиям ^[18], несмотря на большое количество воспринимаемой информации, человек способен обрабатывать ее со скоростью не более 10 бит в секунду. Другими словами, мы с вами ОЧЕНЬ медленные. Поэтому, работая со сложными системами мы вынуждены окружать себя большим количеством датчиков.

И здесь начинается интересное: мы можем пойти традиционным путем: разработать сложный анализатор за миллионы, калибровать его, писать драйверы, настроить пороги срабатывания, предусмотреть edge cases, обновлять прошивки… А можем просто посадить моллюска в резервуар – он уже откалиброван 400 миллионами лет эволюции, работает на автономном питании, реагирует на весь спектр угроз сразу и не требует обновлений безопасности. И получается, что иногда лучшее техническое решение – это вообще не техническое решение. Потому что эволюция решала ровно ту же задачу, что и мы: как быстро и надежно детектировать угрозу в условиях ограниченных ресурсов. Только у неё было немного больше времени для итераций.