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 仿生系列4--機(jī)器人的嗅覺系統(tǒng)

導(dǎo)言：對(duì)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(cè)病人呼出的氣體，通過(guò)分析其中攜帶的特定化學(xué)成分來(lái)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(duì)氣味如此敏感，是因?yàn)楸亲拥酿つぶ邪山?/span>3000萬(wàn)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(wàn)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(wàn)種氣味。

不過(guò)對(duì)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(shuō)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(kù)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(duì)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(wú)疑問(wèn)，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(lái)自德國(guó)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)程還需要配合軟件中的氣味模型數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行。而這個(gè)過(guò)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(duì)，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(kù)，它們首先將幾種嗅覺測(cè)試的結(jié)果錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后將測(cè)試結(jié)果與已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，數(shù)據(jù)庫(kù)的規(guī)模決定了電子鼻子對(duì)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(wú)疑問(wèn)，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?，從而自?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(wú)色無(wú)味的，無(wú)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(cè)到濃度極小的“無(wú)色無(wú)味”氣體分子，所以嗅覺傳感器還可以檢測(cè)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(chǎng)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(chǎng)的安全部門采用電子鼻子幫助機(jī)場(chǎng)員工檢測(cè)毒品和易燃易爆物品。然而，目前經(jīng)過(guò)專業(yè)訓(xùn)練的警犬依然是最好的探測(cè)器，電子鼻子的檢測(cè)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(lái)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(guò)氣味來(lái)檢測(cè)疾病。例如，有一種特殊的腫瘤甚至可以“聞出來(lái)”。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(lái)，讓患者吃下這種藥片，隔一段時(shí)間后通過(guò)測(cè)量其體內(nèi)的放射強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)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(wú)法滿足需要記錄的氣味分子樣本數(shù)量?？茖W(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(lái)新的可能性，例如德國(guó)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(cè)試，從而為患者定制個(gè)性化的醫(yī)療方案。