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 仿生系列4--機(jī)器人的嗅覺系統(tǒng)

導(dǎo)言：對于人類而言，不同的氣味常常會(huì)使我們的情緒發(fā)生變化，或甚至能向我們發(fā)出危險(xiǎn)的信號(hào)。而機(jī)器人的鼻子卻可以檢測病人呼出的氣體，通過分析其中攜帶的特定化學(xué)成分來查找病因。

夏日清晨的空氣沁人心脾，而下水道的腐臭使人遠(yuǎn)離。的確，有的氣味讓我們神往，而有的氣味卻讓我們反感。人類之所以對氣味如此敏感，是因?yàn)楸亲拥酿つぶ邪山?/span>3000萬個(gè)嗅覺細(xì)胞組成的350個(gè)嗅覺感受器。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類在高度集中注意力的時(shí)候最多可以識(shí)別約一萬種氣味。而嗅覺更發(fā)達(dá)的犬類擁有2.5億個(gè)嗅覺細(xì)胞，可以聞出大約100萬種氣味。

不過對于機(jī)器而言，氣味只是一些可以被分析和評(píng)估的分子。目前，機(jī)器人使用的電子鼻子還很初級(jí)，它最多包含32個(gè)傳感器，也就是說只有32個(gè)“嗅覺細(xì)胞”。雖然傳感器的識(shí)別精度遠(yuǎn)比嗅覺細(xì)胞高，但是只有將每一種氣味預(yù)先存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中時(shí)，電子鼻子才能識(shí)別它們。盡管如此，在工業(yè)制造和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，電子鼻子已經(jīng)成為不可替代的預(yù)警系統(tǒng)。

傳感器：將氣味變?yōu)殡娮有盘?hào)

對于電子鼻子的具體實(shí)現(xiàn)方式，科學(xué)界還沒有統(tǒng)一的答案，目前全球各地的科學(xué)家們都在探索自己的解決方案。但是毫無疑問，所有的電子鼻子都必須包含一個(gè)可以“吸收”氣味的結(jié)構(gòu)，以及將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。“壓電晶體和金屬氧化物是最常用的嗅覺傳感器材料”，來自德國圖賓根大學(xué)的Weimar教授告訴我們。從技術(shù)原理上看，壓電晶體（QMB傳感器）是通過微天平吸收氣味分子，由于氣味分子的類型和濃度會(huì)改變壓電晶體的固有電子震蕩，因此就可以將氣味分子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；金屬氧化物（MOS傳感器）則是通過將氣味分子“粘”到一層薄薄的金屬氧化物層上，使該金屬氧化物薄層的導(dǎo)電性發(fā)生變化，從而將氣味分子轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。需要了解的是，人類鼻子的嗅覺實(shí)現(xiàn)原理與嗅覺傳感器不同，我們的每一種嗅覺細(xì)胞只擁有一種類型的氣味受體，而每種受體只能感受到特定的氣味分子。

目前科學(xué)家們已經(jīng)使用多種不同的材料，比如氧化錫或者氧化鋅制作出了可以識(shí)別不同紅酒氣味的專用傳感器。但是只憑傳感器并不能告訴我們聞到的是雷司令葡萄酒（一種白葡萄酒）還是無鉛汽油，因?yàn)閭鞲衅髦皇腔瘜W(xué)級(jí)別的記錄設(shè)備，真正的識(shí)別過程還需要配合軟件中的氣味模型數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行。而這個(gè)過程與人類大腦的工作方式非常類似，即鼻子吸入的氣味需要與大腦中存儲(chǔ)的記憶進(jìn)行比對，才能判斷出這種氣味代表什么。電子鼻子的“大腦”就是軟件和數(shù)據(jù)庫，它們首先將幾種嗅覺測試的結(jié)果錄入到數(shù)據(jù)庫中，然后將測試結(jié)果與已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，數(shù)據(jù)庫的規(guī)模決定了電子鼻子對氣味的識(shí)別能力和準(zhǔn)確度。

救生員：電子鼻子響起的警報(bào)

毫無疑問，電子鼻子在氣味識(shí)別能力上與人類的鼻子相比還非常有限，但是它們已經(jīng)成為一些領(lǐng)域的基本裝備。比如，在一些智能汽車空氣循環(huán)系統(tǒng)中，傳感器可以感應(yīng)到車輛駛?cè)胨淼乐校瑥亩詣?dòng)將外循環(huán)風(fēng)改為內(nèi)循環(huán)風(fēng)。另外，由于大部分化學(xué)合成物是完全無色無味的，無論濃度有多高，人類的鼻子都不能感知到，而電子鼻子卻可以探測到濃度極小的“無色無味”氣體分子，所以嗅覺傳感器還可以檢測汽車廢氣排放系統(tǒng)中的一氧化碳等有害氣體含量，從而評(píng)估催化轉(zhuǎn)換器（又稱觸媒轉(zhuǎn)化器）的工作效率。

此外，電子鼻子在機(jī)場和醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域都已經(jīng)開始發(fā)揮作用。例如，機(jī)場的安全部門采用電子鼻子幫助機(jī)場員工檢測毒品和易燃易爆物品。然而，目前經(jīng)過專業(yè)訓(xùn)練的警犬依然是最好的探測器，電子鼻子的檢測結(jié)果還只能提供參考，因?yàn)楸浑娮颖亲?/span>“記錄在案”的氣味分子樣本還不夠多。在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域，電子鼻子未來可以發(fā)揮的作用更加令人興奮，電子鼻子將幫助醫(yī)生通過氣味來檢測疾病。例如，有一種特殊的腫瘤甚至可以“聞出來”。目前已經(jīng)有研究者將含有二氧化碳同位素的藥片與嗅覺傳感器結(jié)合起來，讓患者吃下這種藥片，隔一段時(shí)間后通過測量其體內(nèi)的放射強(qiáng)度來檢測細(xì)菌感染率。

結(jié)論

電子鼻子還處于發(fā)展的初級(jí)階段。該技術(shù)面臨的最大困難就是傳感器材料無法滿足需要記錄的氣味分子樣本數(shù)量。科學(xué)家們已經(jīng)開始尋找比金屬氧化物和壓電晶體傳感器更好的材料，我們相信新的材料將會(huì)帶來新的可能性，例如德國的一群研究者正在設(shè)計(jì)一種可以集成到手機(jī)上的小型移動(dòng)傳感器，利用該裝置，醫(yī)生只需要給患者打個(gè)電話就可以完成呼吸測試，從而為患者定制個(gè)性化的醫(yī)療方案。