本文關(guān)鍵詞：基于嗅覺模型的電子鼻仿生信息處理技術(shù)研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　前不久，美國奮進(jìn)號航天飛機(jī)為國際空間站送去一個電子鼻。它可以“嗅”出空間站內(nèi)空氣中的危險物質(zhì)，保護(hù)宇航員的健康和安全。2008年12月9日，國際空間站宇航員把這個鞋盒大小的電子鼻安裝到乘員艙內(nèi)，開始為期6個月的試運行。如果證明確實有效，電子鼻今后還將應(yīng)用于宇航員重返月球等其他載人空間探索項目。

　　不僅在航空領(lǐng)域，電子鼻從20多年前誕生至今，以其快速、簡單、客觀和廉價的特點，在食品加工、環(huán)境監(jiān)測、公共安全和醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域得到應(yīng)用。記者就此采訪了《基于嗅覺模型的電子鼻仿生信息處理技術(shù)研究進(jìn)展》(《科學(xué)通報》2008年第22期)一文的第一作者、浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國家重點實驗室教授李光。

　　源于生物嗅覺

　　電子鼻研制的靈感來源于生物嗅覺，是對其結(jié)構(gòu)和功能的模仿�！吧矬w經(jīng)過千萬年演化后，形成了極其精巧的結(jié)構(gòu)和完美的功能，比如其快速、高效、經(jīng)濟(jì)和可靠等性能是目前多數(shù)人工機(jī)器無法達(dá)到的。”李光說：“工程界應(yīng)該自覺地學(xué)習(xí)生物體，從大自然中尋求新思路、新原理和新理論�！�

　　電子鼻最早可以追溯到1962年Seiyama發(fā)現(xiàn)了二氧化錫的氣敏特性，但直到1982年P(guān)ersaud等人在Nature雜志上第一次提出以陣列思想來識別幾種簡單氣體，標(biāo)志電子鼻的誕生。

　　20多年來，電子鼻從理論到技術(shù)都有了很大發(fā)展。李光介紹，在氣敏傳感器方面，科研人員研制出了不同傳感原理和制作工藝的氣敏傳感器，如現(xiàn)在常用的有金屬氧化物半導(dǎo)、石英晶體微天平、導(dǎo)電聚合物、聲表面波等，極大地豐富了氣味信息的獲取途徑。作為電子鼻智能化單元的模式識別算法，也引入了各種各樣的方法，包括常見的主成分分析和各種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)。

　　李光說：“最近幾年，在傳感器領(lǐng)域的國際最著名期刊之一Sensors and Actuators上，關(guān)于電子鼻及相關(guān)技術(shù)的報道也急劇增多，由此也可以看到學(xué)術(shù)界對該領(lǐng)域的研究越來越重視。”

　　人工嗅覺系統(tǒng)

　　電子鼻不僅僅是一種傳感器。李光解釋說，“電子鼻”這個術(shù)語存在兩面性，一方面有自明性，顧名思義，而另一方面也往往容易產(chǎn)生誤解，縮小了它的結(jié)構(gòu)范圍。“確切地說，電子鼻是人工嗅覺感受器(傳感器陣列)加人工腦(信息處理算法)，前者負(fù)責(zé)‘嗅’，后者負(fù)責(zé)‘識別’，所以稱之為人工嗅覺系統(tǒng)更貼切�！�

　　一個人工嗅覺系統(tǒng)通常由3個部分組成：氣敏傳感器陣列、信息采集電路和模式識別算法。揮發(fā)性氣味與多個氣敏傳感器反應(yīng)，將樣品的化學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電信號,然后經(jīng)過一系列信號調(diào)理、基線校準(zhǔn)等預(yù)處理過程，獲取該樣品所對應(yīng)的綜合“指紋”信息，再從中提取合適的特征輸入到特定的模式識別算法，最終完成對樣品的定性或定量辨識。

　　與人類的嗅覺系統(tǒng)相比，電子鼻氣室內(nèi)的氣敏傳感器陣列相當(dāng)于鼻腔上的嗅上皮，具有交叉敏感的化學(xué)傳感器則相當(dāng)于對多種氣味分子敏感的嗅神經(jīng)元，其作用都是將氣味的化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信息；預(yù)處理的功能類似于嗅球內(nèi)信號的整合與增強(qiáng)；模式識別原理，特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，則在一定程度上模擬了大腦皮層信息編碼、處理和存儲等過程。

　　“電子鼻的靈敏度一方面取決于所用氣敏傳感器的靈敏度，比如說用日本Figaro公司的TGS氣敏傳感器一般達(dá)到幾十甚至上千ppm(百萬分之一)級別，而用一些SAW型傳感器則可以達(dá)到ppb(十億分之一)級別�！崩罟庹f：“此外，電子鼻本身一些算法可以提高檢測的靈敏度，例如Pearce等人提出的嗅神經(jīng)元——絲球體匯聚模型，采用嗅覺系統(tǒng)的實際功能削弱信號中的無關(guān)噪聲，提高檢測靈敏度�！�

　　目前，電子鼻研制的兩個關(guān)鍵技術(shù)仍須進(jìn)一步深入研究。李光指出，一方面要開發(fā)性能優(yōu)良的氣敏傳感器構(gòu)建陣列，另一方面還需要強(qiáng)大的信息處理算法來處理這些信息。李光說：“傳感器在靈敏度、壽命、功耗、使用方便性等方面各有優(yōu)劣，在這些方面有大量的科研工作者在努力。而在信息處理算法上，盡管提出的方法很多，但各自局限性很大，且一般只能針對特定的識別任務(wù)，根本無法和人類大腦比擬�！�

　　應(yīng)用前景誘人

　　電子鼻具有快速、簡單、客觀和廉價的特點，在食品加工、環(huán)境監(jiān)測、公共安全和醫(yī)學(xué)診斷等諸多領(lǐng)域都有很大的潛在應(yīng)用前景。

　　某些疾病比如糖尿病、肺癌、消化道疾病等，因引起病人體內(nèi)生物化學(xué)變化而產(chǎn)生獨特氣味，此外一些引起疾病的細(xì)菌本身就有獨特氣味，使得健康人和患者的氣味存在微妙的不同，但是這些氣味對普通人來說是很難覺察的。

　　“用電子鼻可以做到�！弊罱�，Mohamed等人應(yīng)用電子鼻分析尿液氣味，經(jīng)過數(shù)據(jù)評估來預(yù)測2型糖尿病，其正確率高達(dá)96%。美國食品及藥物管理局(FDA)已經(jīng)審批通過一種檢測尿路感染的電子鼻，而其他一些醫(yī)用電子鼻也在等待獲批。

　　目前國外已經(jīng)有數(shù)十家公司對電子鼻進(jìn)行了商業(yè)化開發(fā)，例如Alpha MOS公司的FOX系列、Technobiochip公司的LibraNose、Electronic Sensor Technology公司的zNose和AIRSENSE Analytics公司的PEN系列等。

　　國內(nèi)有一些公司在代理電子鼻產(chǎn)品，銷售對象一般是大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)，供其用于應(yīng)用型研究或?qū)﹄娮颖钱a(chǎn)品所帶的模式識別算法進(jìn)行二次開發(fā)。但據(jù)李光所知，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或者醫(yī)療診斷的實際場合，還沒有真正應(yīng)用起來。

　　李光說，一方面由于這些國外電子鼻產(chǎn)品的價格非常高，并沒有達(dá)到電子鼻廉價的優(yōu)點；另一方面，電子鼻產(chǎn)品的性能還沒有達(dá)到實際應(yīng)用的水平，電子鼻產(chǎn)品的市場還沒有培育起來。比如說醫(yī)療診斷，一種診斷手段要得到一線臨床醫(yī)生的認(rèn)可需要很長時間，不僅包括產(chǎn)品自身的可靠性，還包括一些必要的準(zhǔn)入程序。

　　盡管如此，李光相信，隨著學(xué)術(shù)界和科技界的共同努力，電子鼻作為一種輔助診斷工具，在不久的將來就可以在醫(yī)院見到；同時，在廣受重視的食品安全方面，電子鼻應(yīng)該能發(fā)揮它的功用�！半娮颖堑那熬斑�是很誘人的�！崩罟庹f。

　　李光的實驗室在電子鼻方面正在進(jìn)行兩項研究。一是氣敏傳感器的研究，由于金屬氧化物氣敏傳感器功耗大，無法做到便攜式、手持式產(chǎn)品的低功耗要求，他們的工作現(xiàn)在主要把重點放在石英晶體微天平QCM型傳感器上，用功能材料學(xué)的方法制備納米敏感膜，進(jìn)行氣敏研究。二是在模式識別算法上作一些改進(jìn)，與美國加州大學(xué)伯克利分校的Freeman教授合作多年，開展嗅覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的仿生應(yīng)用研究。

　　另外，李光介紹，，他們實驗室剛申請到一個國家自然科學(xué)基金項目，準(zhǔn)備用昆蟲觸角的傳感功能來彌補(bǔ)現(xiàn)有氣敏傳感器的不足。“這個想法在國際上非常新穎，但也面臨很多挑戰(zhàn)。但是我，包括我的研究生對這方面都興趣盎然，很樂意作一些被別人看來比較‘另類’的研究。”

  本文關(guān)鍵詞：基于嗅覺模型的電子鼻仿生信息處理技術(shù)研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。