1.1 第一章 概述《仿生嗅覺》

TheprincipleandapplicationofbionicolfactionforMS.2018From16Nov.2018To25

Jan.2019ByProf.DehanLuo第一章概述1.1前言一、嗅覺的作用人類通過視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺的感知不斷地接受各種信息，其中嗅覺作為我們了解外界氣味信息的有效途徑，它和其它的感知途徑同樣重要，并且與之形成互補效應，在很多的場合發(fā)揮著不可替代的作用。1.1前言二、氣味是物質的重要特征1、物質的氣味最能代表物質的本質2、物質所產生的氣味就是對外界傳播其本質特征的信息。3、氣味代表著該種物質的揮發(fā)特性4、一種物質對應一種氣味，沒有氣味完全相同的兩種不同物質5、物質不變，其氣味一般不變，一旦氣味改變了，物質一定發(fā)生了質的改變。1.1前言三、氣味感知1、嗅覺：氣味刺激生物嗅細胞而引起的感覺。2、氣味感知：當氣體分子作用于動物嗅覺細胞時，產生神經沖動，經嗅覺神經傳導，最后到達大腦皮層的嗅覺中樞，形成氣味感知3、感知區(qū)域局限性：生物嗅覺感知有一定極限范圍，存在一定的感知盲區(qū)。1.1前言四、氣味檢測與分析

1、氣味的物理分析方法物理儀器分析方法是建立在物理基礎之上，主要是依據(jù)光波與物質氣味所存的關聯(lián)特性而工作。目前物理儀器分析方法主要有紅外光譜、紫外光譜、質譜、原子吸收光譜、氣相色譜、液相色譜等。1.1前言四、氣味檢測與分析

2、氣味的化學分析方法化學儀器分析方法是建立在分子學基礎之上，主要依據(jù)理化指標和生物指標與物質氣味所存的關聯(lián)特性而工作。1.1前言四、氣味檢測與分析

3、氣味的嗅覺（感官）分析方法（1）化學和物理儀器分析方法不能對一些復雜物質的氣味進行檢測分析，例如，酒類、香煙類、茶葉類等主要是靠人的嗅覺感官和味覺感官來進行評判的。（2）人的感官評判帶有很大的主觀因素（3）人的感覺器官不能用于檢測有毒氣體，也不能連續(xù)長期工作和遠程操作。（4）感官評判存在主觀性強、重復性差、耗時長和成本高等缺點。1.1前言四、氣味檢測與分析

4、氣味的仿生嗅覺檢測與分析方法（1）鑒于化學分析方法和物理儀器分析方法及傳統(tǒng)感官評定的不足，人們期望有一種能客觀準確的嗅覺鑒別方法來代替目前的氣味檢測分析方法。于是仿生嗅覺理論與技術被期待；（2）仿生嗅覺又稱為機器嗅覺或人工嗅覺，俗稱“電子鼻”，其工作原理是通過模擬生物嗅覺功能對被測氣體進行感知、分析、識別和判斷，從而實現(xiàn)人的嗅覺功能，甚至能夠擴展人的嗅覺功能。

1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程一、追根溯源 1、人類思索氣味的問題至少可以追溯到公元前4世紀的古希臘時代。亞里士多德認為，氣味是由物質發(fā)出的輻射，被我們感覺到。2、比亞里士多德稍晚的另一位希臘學者伊壁鳩魯，在德謨克利特的原子論的基礎上解釋了嗅覺：不同形狀的原子讓鼻子感覺到不同的氣味。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程二、近代研究（階段一） 1、1961年Moncrieff制成了一種機械式的氣味檢測裝置，它可以檢測簡單氣體成分。 2、1964Wilkens和Hatman研制出了世界上第一個“仿生嗅覺”系統(tǒng)，其原理是利用氣味在電極上的氧化-還原反應來檢測氣味成分。 3、1965年Buck等人利用氣味調制電導和Dravieks等人利用氣味調制接觸電位方法，分別研制了另外兩種不同原理的“仿生嗅覺”裝置。 4、1967年，日本Figaro公司率先將金屬氧化物半導體氣敏傳感器商品化，為現(xiàn)代“仿生嗅覺”發(fā)展奠定了信號傳感檢測基礎。 5、由于當時氣敏傳感器制造技術的限制，不能形成傳感器陣列對氣味進行檢測，使得仿生嗅覺技術研究徘徊了20多年。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程二、近代研究（階段二） 1、1982年，英國Warwick大學的Persaud和Dodd模仿哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的結構和機理，提出了“陣列傳感器技術（SensorArrayTechnology）”和“電子鼻（electronicnose）”的概念， 2、在這之后，人工嗅覺系統(tǒng)的研究出現(xiàn)了較快的發(fā)展。由于氣味的特征與化合物的組合及濃度有著既復雜又非線性的密切關系，故采用陣列傳感器系統(tǒng)來模擬表征人類嗅覺更為合理，這一概念的提出為仿生嗅覺奠定了可實現(xiàn)的技術基礎。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程二、近代研究（階段二） 2、1989年北大西洋公約組織(NorthAtlanticTreatyOrganization，簡稱NATO)舉辦了一次關于化學傳感器信息處理研討會，該會議對“電子鼻”做了如下定義： 3、“電子鼻”是由多個性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復雜氣味能力的裝置。 4、1990年舉行了第一屆“電子鼻”國際學術會議，并在1994年誕生了第一臺商業(yè)化的“仿生嗅覺”儀器。 5、目前具有代表性的“仿生嗅覺”儀器有：法國Alpha—MOS的桌面型FOX系列、德國AIRSENSE公司的PEN系列和美國加利福尼亞Cyranosciences公司的Cyranose等產品。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程三、國內研究狀況 1、國內對于仿生嗅覺技術的關注始于20世紀90年代初期，當時僅限于對國外有關研究的報道、專業(yè)論文的翻譯和嗅覺模擬技術的綜述。 2、目前研究較多的是使用國外已有仿生嗅覺系統(tǒng)開展相關應用性研究，而由于諸多條件限制，開展仿生嗅覺系統(tǒng)裝置研究與開發(fā)的則較少。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程四、仿生嗅覺滯后于仿生視覺和仿生聽覺

（1）從生理學機理角度考慮，人類的各種感官都有各自的特點，屬于不同科學范疇，而人們對這些學科的研究程度和深度是不同的，從而導致了嗅覺科學的發(fā)展落后于視覺和聽覺科學的發(fā)展；相對于圖像和聲音的研究與發(fā)展，對氣味的研究卻滯后了很多，其主要原因體現(xiàn)在以下幾方面：1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程四、仿生嗅覺滯后于仿生視覺和仿生聽覺

（2）從仿生學概念角度考慮，人類早就對視覺、聽覺的機理有了清楚的認識，早就 為仿生視覺和仿生聽覺技術的研究奠定了理論基礎；而有關嗅覺的機理，直到 2004年諾貝爾生理學和醫(yī)學獎的獲得者理查德·阿克塞爾和琳達·巴克發(fā)現(xiàn)嗅覺 系統(tǒng)中的可以等量表達嗅覺受體類型的大家族基因后，人們對其才有了新的科 學認識，進而才為仿生嗅覺研究提供相應的理論依據(jù)。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程四、仿生嗅覺滯后于仿生視覺和仿生聽覺

（3）從傳感技術角度考慮，由于人類對視覺、聽覺的機理有較早的深入認識，相應 的視覺和聽覺傳感技術得到較深入研究和開發(fā)，目前已開發(fā)了高精度的仿生視 覺傳感器和仿生聽覺傳感器，并獲得推廣應用。但由于人們對嗅覺機理認識的 滯后，至今尚未開發(fā)出像視覺、聽覺那樣的高精度嗅覺傳感器，致使嗅覺傳感 器目前的水平只相當于上世紀80年代末的視覺傳感器的水平，有待進一步發(fā)展 和提高。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程四、仿生嗅覺滯后于仿生視覺和仿生聽覺

（4）從信息處理角度考慮，視覺傳感的圖像信息可以用成熟視頻特征模式描述和處理；聽覺傳感的聲音信息可以由成熟的音頻特征模式表述和處理；而嗅覺傳感的氣味信息采用什么特征模式表示最合適呢？至今尚未形成統(tǒng)一的科學認識。1.3仿生嗅覺的應用領域一、食品工業(yè)

1、煙酒產品的品質鑒別，長期以來都是依靠專家的感官，即嗅覺和味覺來 進行主觀評定。 2、專家評定方法往往受到人的生理、經驗、情緒、環(huán)境等主客觀因素的影響，難以得到科學、客觀、準確的結論，因此人們期待一種更加準確、客觀、快速的仿生評價方法和技術。1.3仿生嗅覺的應用領域二、精細化工 香精香料、化妝品，香氣是評價其內在質量的主要指標之一。 傳統(tǒng)方法是采用專家評定和化學分析相結合。因為人的感官易疲勞，并且還具有適應性和習慣性；而化學分析方法所需時間長，且得到的結果往往與人的感官感受又有差異。仿生嗅覺技術可以在新產品開發(fā)和在線質量控制方面得到推廣使用。1.3仿生嗅覺的應用領域三、中藥材 1、在中藥材的品質鑒別中，氣味是品種和質量鑒別的重要依據(jù)之一。 2、藥材的氣味與所含成分、性質有關，每一種中藥材都有其自身特殊的氣味。 3、傳統(tǒng)上使用眼看、手摸、鼻聞、口嘗、水試、火試等簡易的方法，通過觀察中藥 材的形狀、大小、氣味、質地、顏色變化等來判斷中藥材的真?zhèn)蝺?yōu)劣。 4、人體感官鑒別法存在對中藥材評判重復性差，準確度低，難以形成標準。 5、用仿生嗅覺技術獲取中藥材或者中草藥的氣味信息后，經過模式識別技術處理就 可避免上述缺點。1.3仿生嗅覺的應用領域四、醫(yī)療診斷

1、在醫(yī)療診斷中，傳統(tǒng)方法之一是從人體中抽取出一些液體進行化驗分析； 2、研究表明：患有疾病的人所呼出的氣體中會出現(xiàn)某些特定成分，如肝硬化患者 的呼氣中會出現(xiàn)脂肪酸，腎衰竭者的呼氣中有三甲氨，肝癌患者的呼氣中會存在烷 類和苯的衍生物等； 3、用仿生嗅覺技術直接檢測患者呼出的氣體并進行分析，就能簡單快捷地對疾 病進行診斷和醫(yī)治。1.3仿生嗅覺的應用領域五、海關檢查 1、在海關檢查中，工作人員都會使用警犬的嗅覺來檢查乘客行李中是否有危險品(如 炸藥)和違禁品(如毒品)等，但是訓練和飼養(yǎng)警犬需要花費大量的資金和人力，并且 警犬的嗅覺受它本身的情緒影響。 2、采用仿生嗅覺技術并結合仿生視覺技術就能夠更加精確和客觀地得到檢查結果。 3、國外已有一種準確的仿生嗅覺系統(tǒng)，其本領超過了獵犬和警犬，能分辨出多種不同氣味，可以很好地幫助警方搜捕罪犯和搜查毒品。1.3仿生嗅覺的應用領域六、外空探索 1、人類對外太空的探索是一個意義深遠的課題。 2、令人興奮的是，仿生嗅覺系統(tǒng)也可以在尋找太空生命中發(fā)揮其作用。 3、在火星生命探索中，科學家們先后在火星探測器上裝有先進的精密氣味檢測裝置， 科學家們希望能聞到甲烷的氣味，真正找到火星上有生命存在的直接證據(jù)。1.3仿生嗅覺的應用領域七、日常生活 1、在人們的中，周圍環(huán)境總是會存在一些有害的氣體，例如HS，SO2，CO，NO和一些易發(fā)性物質，如苯、甲醛等。這些氣體對人體的健康有著一定的影響，并存在著事故隱患， 2、人們期待著能有一種像如今廣泛應用的仿生視覺監(jiān)控技術的仿生嗅覺監(jiān)控技術來有效地監(jiān)測我們周圍環(huán)境的有害、有毒氣體，并把它們控制在適度的范圍之內，以此來保護我們正常的日常生活，保障人們的生命和財產安全。1.3仿生嗅覺的應用領域綜上所述仿生嗅覺技術應用研究正在不斷深入發(fā)展，具有廣闊的應用前景。1.4仿生嗅覺技術展望

一、總體技術

1、硬件技術、軟件技術及系統(tǒng)應用技術 2、硬件技術：以氣體傳感器陣列和嵌入式CUP為核心，加之進氣裝置和加熱控制模 塊等構成； 3、軟件技術：基于嵌入式操作系統(tǒng)和智能信息處理算法及控制程序和氣味信息識別 程序； 4、應用技術：基于系統(tǒng)硬件和軟件環(huán)境，研究拓展仿生嗅覺系統(tǒng)應用領域范圍、提 高仿生嗅覺系統(tǒng)應用的可靠性、準確性和實用性。1.4仿生嗅覺技術展望

一、總體技術

6、仿生嗅覺系統(tǒng)的功能必將日益增強，在愈來愈多地場合取代人鼻的作用，甚至將 大范圍超越和延伸人類嗅覺功能，將獲得愈來愈廣泛的應用； 7、體積也將會越做越小、將會從“臺式”發(fā)展到“便攜式”，再發(fā)展為“微型 式”，其成本也會大幅度降低。 8、可以預見，未來的仿生嗅覺技術將朝著強化技術、提高性能、降低成本、拓展應用等方向發(fā)展。1.4仿生嗅覺技術展望

二、傳感器技術1、嗅覺傳感器是仿生嗅覺硬件技術發(fā)展的瓶頸問題，它是制約仿生嗅覺技術快速發(fā) 展的主要因素，也是全世界科學家專注研究的重點領域。2、嗅覺傳感器由多個具有交叉靈敏度氣體傳感器組成陣列式傳感器。 3、欲要提高仿生嗅覺系統(tǒng)的功能和擴寬其應用范圍，必須首先提高陣列傳感器性能 和特性，并減小其體積。 4、研究新型傳感器敏感材料，靈活運用微機械加工技術、敏感薄膜形成技術、微電 子集成技術等現(xiàn)代制造技術是嗅覺傳感器發(fā)展的方向之一。1.4仿生嗅覺技術展望

三、新材料研究1.目前金屬氧化物半導體材料ZnO，SnO2，F(xiàn)e2O3等用于氣體感器己有較成熟的理論支撐，特別是在CH4，C2H5OH，CO等單成分氣體檢測方面，基于這些材料制成的傳感器具有較好地靈敏度和穩(wěn)定性。但在嗅覺傳感器材料研究方面，目前相關理論還不夠完善，還不具有成熟理論能指導嗅覺傳感器的生產和制造。2、以下兩個方向發(fā)展： （1）、是利用化學修飾改性方法，對現(xiàn)有氣體敏感膜材料進行摻雜、表面修飾和改性等處理，并對成膜工藝進行改進和優(yōu)化，提高材料的穩(wěn)定性、重復性和交叉靈敏度； （2）、是研發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復合型和混合型半導體氣敏材料、高分子氣敏材料。1.4仿生嗅覺技術展望

四、傳感器陣列微型化

1、目前傳感器陣列單元數(shù)量從幾個到幾十個不等。 2、從“仿生”角度考慮，現(xiàn)有的這些嗅覺傳感器陣列的“嗅覺單元數(shù)”遠少于人類 鼻腔所擁有的“嗅覺細胞”數(shù)，其體積也大于鼻腔“嗅上皮”