工业安全气体传感器的作用

　　未来的某一天，当身体患上疾病时，用机器嗅一下就知道，这样的场景你敢相信吗？日前，美国研究人员利用3D打印技术获得了一个“狗鼻子”，当然这只是一个安装在探测爆炸物品检测仪器上的仿生鼻结构。在3D打印技术的辅助下，通过仿生设计的“狗鼻子”使气体检测系统的灵敏度提升了16倍，不仅可快速判断待检测气体种类，甚至还可对毒品、病原体甚至是癌症进行判别。

　　事实上，这套气体检测系统就是仿生嗅觉的一个典型案例。仿生嗅觉以自然界生物获得嗅觉过程为样本，通过综合运用传感器阵列、信号处理系统和计算机模式识别技术，将生活中的各种气味数字信息化。仿生嗅觉可用于检测、分析和识别各类气味，具有识别能力强、灵敏度高、客观准确、应用范围广等突出特点，正在深刻改变着我们对于“气味王国”的感觉与认知。

　　“电子鼻”尝遍人间滋味

　　在人类漫长的发展过程中，始终保持着对周围环境的气味刺激进行感知并作出适当反应的能力。目前已经得知，嗅觉的产生是由多个嗅觉细胞密切配合对气味进行“合力攻关”的结果。具体而言，我们闻到的气味并不是哪一个嗅觉细胞感知的，而是成千上万的嗅觉细胞通过不同的组合感知得到的，组合方式多种多样，就可以尝遍人间滋味。

　　仿生嗅觉系统通常由交叉敏感的各种物理化学传感器阵列、信号预处理系统和计算机模式识别系统组成，融合了传感器技术、阵列数据融合技术、应用数学和计算机模式识别等多种新型学科。采用仿生原理的嗅觉系统不仅对各类气味都有充足的监测灵敏度，而且检测时间可大幅缩短。目前已经研发出可检测气味的传感器芯片，检测能力与人类嗅觉不相上下。

　　舌苔上有味蕾，尝遍酸甜苦辣，鼻腔内敏感的细胞可对气体味道进行一对一的仔细甄别。与它们相类似的是，仿生嗅觉中的传感器阵列就好比是广泛排布的感觉细胞，可对进入系统的气体微粒进行吸附，并产生电信号。目前的传感器按材料可分为金属氧化物型半导体传感器、导电聚合物传感器、光纤气体传感器和生物传感器等，对各类气体具有相对较高的敏感性。传感器生产的电信号经过加工处理后，就可传送到模式识别系统进行分析判断。美国海军研究室资助的生物混合鼻项目，就利用了数以千计的传感器阵列进行气味信息收集、记录和快速传递，甚至可以感知人类无法感知的气体，是当之无愧的“狗鼻子”。

　　模式识别系统类似人脑的学习过程，首先对各种标准气味进行学习并建立自己的“大脑数据库”，之后通过待检测气味与标准数据库比对即可得出气味的具体信息。目前，咖啡、牛肉、啤酒等数千种气味的味源物质和气味信息已经建立。在仿生嗅觉系统中，气味感知灵敏度取决于传感器的探测能力，好比患了重感冒的人无法嗅到气味一般。同时，检测环境、信号处理算法和计算机模式识别这一气味分析“大脑”也是决定气味感知成功的重要因素。

　　如何破解“嗅觉之困”

　　生活在21世纪的我们，无论是使用计算机、移动电话还是各类工具，都无法逃离纷繁复杂的数字世界。目前，听觉、视觉和触觉感知已经成为电子设备不可或缺的重要组成部分，唯独数字化的嗅觉依旧“犹抱琵琶半遮面”。但要真实触摸现实生活，“色香味”俱全的视、听、触、味、嗅五类传感器缺一不可，嗅觉感知已经成为智能感知发展的关键技术。

　　仿生嗅觉系统可以分辨和识别成千上万种不同的气味分子，具有很好的灵敏度和特异性。随着嗅觉机理研究的不断深入以及现代生物医学技术的不断进步，人类对于嗅觉的研究也从最早的化学分析方法逐渐发展成仪器分析方法，尤其是采用了仿生技术的机器嗅觉时代的到来，对气体的识别能力越来越强，识别率也逐渐得到稳步提升。人们模仿嗅觉感知的机理，以生物活性材料作为敏感元件，构建了多种灵敏度好、检测限低、选择性好等仿生嗅觉传感器。

　　利用仿生嗅觉研制的“电子鼻”的概念最早由英国Warwick大学的Persand和Dodd教授于1982年提出，旨在利用各类传感器阵列配合适当的模式识别功能去识别简单或复杂气味。此外，在神经生物学基础上，科学家还相继提出以生物分子功能单位为目标，研制出芯片级的嗅觉传感系统，该系统通过在微电极上培养嗅觉神经细胞，进而构成一个嗅觉神经元芯片。

　　仿生嗅觉系统的关键就是模仿出高度相似的气味感知细胞，目前已经发现了一些对气味非常敏感的材料，这些不同类型材料制作的嗅觉传感器将因不同的结构、原理和特性，对待检测气体的种类和灵敏度产生不同感知。目前，日本研究人员已经通过酶电极和生物电子鼻研制出可检测特殊气体的装置，还通过模仿青蛙对于气体味道的感知，研发出一款安装在机器人头部的机器嗅觉系统。无独有偶，美国研究人员也从蝗虫的嗅觉系统得到灵感，开发出了新型仿生嗅觉气体感测系统，可对爆炸物等进行安全检测。

　　当仿生嗅觉遇到3D打印，更是带来了嗅觉感知天翻地覆的巨大变化。研究人员通过解剖狗鼻子，发现了其在气味获取上的独特结构，继而从犬类动物辨识事物的“主动嗅探”过程中得到了启发。为了辨识气体，犬类动物会猛烈吸回刚刚呼出的气体，使得携带不同气味的微粒迅速充满鼻腔进行比对辨别。通过为气体检测系统加装模仿犬类鼻子外形和鼻腔结构的“狗鼻子”，这种气体监测仪器可通过流体力学原理吸取待测气体，采取类似犬类动物的分析识别方式，对气味粒子的感知范围和灵敏度大幅度提升。

　　嗅觉信息化将大行其道

　　与表情、声音、动作等可以直接传递信息的媒介不同，气味本身蕴含着巨大的信息，可就是“莫名其妙”而“难以言说”。仿生嗅觉系统具有检测快速、使用简单、结果客观等特点，在环境监测、公共安全和医学诊断等诸多领域都有巨大的应用前景。美国国防部高级研究计划局正在开展的“RealNose”研究，旨在模仿狗的灵敏嗅觉制造可分辨多种化合物的气味探测器。一旦该项目研制成功，将在探测和应对化学武器上得到重要军事应用。

　　通过仿生嗅觉的气味感知系统，可研究用于气味分析的分子识别材料、气味特征值分析的“气味照相机”等新兴技术。现实生活中，如何甄别酒水、茶叶等食品的好坏？依靠人体的感觉器官进行判断的方法严重依赖个体的生理和心理条件，受经验、情绪等主观因素影响大。而且大多数气味的香气又是多种致香成分的综合反映，单纯依靠人工难以有效辨别。这时候，就需要可精确解码气味信息的“电子鼻”闪亮登场。此外，我们也可以在电饭煲中植入嵌入式气味传感器，通过对味道的精确传感分析米饭加工到什么阶段最可口。

　　仿生嗅觉引起人们更加广泛地关注，当属其在医疗领域的重大应用。由于人体在生病时会产生各种不同类型的气味，对应的疾病种类也各不相同，因而可以利用仿生嗅觉对人体疾病开展相关诊治。目前，已经研发出可检测二氧化碳浓度的“机器医生”，可对引起胃炎和胃溃疡的幽门杆菌进行检测。仿生嗅觉在食品工业、环境检测、安全保障等领域也有着重要应用，经过数字化处理的嗅觉信息甚至可以通过网络传输共享。更令人兴奋的是，仿生嗅觉系统还有望在外太空生命找寻中发挥其作用。

　　未来，仿生嗅觉小型化是其发展的重要方向。目前，人们已经计划将仿生嗅觉系统集成到手机终端上，实现手机气味的数值化分析和再现。如果手机可集成机器嗅觉系统，就可以在购买食品时使用手机对食品的“气味条形码”进行扫描，从而确定食品是否存在仿冒、变质等问题。人们在利用手机进行通话时常常无意识地呼气，也可借此利用机器嗅觉比对健康人体数据库，对人体日常的健康状态进行检测。

　　目前，仿生嗅觉的广泛应用仍有一系列问题需要解决，尤其是嗅觉传感器是技术发展的瓶颈。要想进一步提高仿生嗅觉系统的功能、扩宽其应用范围，就需要研究新型传感器敏感材料，灵活运用微机械加工技术、微电子集成技术等现代制造技术，提高阵列传感器的性能参数，并充分减小体积。此外，生物体的嗅觉系统结构复杂，在进行仿生模拟过程中就必须掌握各类味源物质的感应方式和识别结构，仍需要开展大量的实验以积累“特征数据库”。仿生嗅觉真正改变我们的生活，依旧任重道远。（作者单位：国防科技大学）

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