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(bǔ)效應(yīng)，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(zhì)的重要特征1、物質(zhì)的氣味最能代表物質(zhì)的本質(zhì)2、物質(zhì)所產(chǎn)生的氣味就是對外界傳播其本質(zhì)特征的信息。3、氣味代表著該種物質(zhì)的揮發(fā)特性4、一種物質(zhì)對應(yīng)一種氣味，沒有氣味完全相同的兩種不同物質(zhì)5、物質(zhì)不變，其氣味一般不變，一旦氣味改變了，物質(zhì)一定發(fā)生了質(zhì)的改變。1.1前言三、氣味感知1、嗅覺：氣味刺激生物嗅細(xì)胞而引起的感覺。2、氣味感知：當(dāng)氣體分子作用于動(dòng)物嗅覺細(xì)胞時(shí)，產(chǎn)生神經(jīng)沖動(dòng)，經(jīng)嗅覺神經(jīng)傳導(dǎo)，最后到達(dá)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(chǔ)之上，主要是依據(jù)光波與物質(zhì)氣味所存的關(guān)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(zhì)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(xué)分析方法化學(xué)儀器分析方法是建立在分子學(xué)基礎(chǔ)之上，主要依據(jù)理化指標(biāo)和生物指標(biāo)與物質(zhì)氣味所存的關(guān)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(xué)和物理儀器分析方法不能對一些復(fù)雜物質(zhì)的氣味進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程操作。（4）感官評判存在主觀性強(qiáng)、重復(fù)性差、耗時(shí)長和成本高等缺點(diǎn)。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(xué)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(zhǔn)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(shù)被期待；（2）仿生嗅覺又稱為機(jī)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(jìn)行感知、分析、識別和判斷，從而實(shí)現(xiàn)人的嗅覺功能，甚至能夠擴(kuò)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(jì)的古希臘時(shí)代。亞里士多德認(rèn)為，氣味是由物質(zhì)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(xué)者伊壁鳩魯，在德謨克利特的原子論的基礎(chǔ)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(jī)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(gè)“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(yīng)來檢測氣味成分。 3、1965年Buck等人利用氣味調(diào)制電導(dǎo)和Dravieks等人利用氣味調(diào)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(dǎo)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(chǔ)。 5、由于當(dāng)時(shí)氣敏傳感器制造技術(shù)的限制，不能形成傳感器陣列對氣味進(jìn)行檢測，使得仿生嗅覺技術(shù)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(xué)的Persaud和Dodd模仿哺乳動(dòng)物嗅覺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和機(jī)理，提出了“陣列傳感器技術(shù)（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(fù)雜又非線性的密切關(guān)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(shí)現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)。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(guān)于化學(xué)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(gè)性能彼此重疊的氣敏傳感器和適當(dāng)?shù)哪Ｊ椒诸惙椒ńM成的具有識別單一和復(fù)雜氣味能力的裝置。 4、1990年舉行了第一屆“電子鼻”國際學(xué)術(shù)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(chǎn)品。1.2仿生嗅覺的發(fā)展歷程三、國內(nèi)研究狀況 1、國內(nèi)對于仿生嗅覺技術(shù)的關(guān)注始于20世紀(jì)90年代初期，當(dāng)時(shí)僅限于對國外有關(guān)研究的報(bào)道、專業(yè)論文的翻譯和嗅覺模擬技術(shù)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(guān)應(yīng)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(xué)機(jī)理角度考慮，人類的各種感官都有各自的特點(diǎn)，屬于不同科學(xué)范疇，而人們對這些學(xué)科的研究程度和深度是不同的，從而導(dǎo)致了嗅覺科學(xué)的發(fā)展落后于視覺和聽覺科學(xué)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(xué)概念角度考慮，人類早就對視覺、聽覺的機(jī)理有了清楚的認(rèn)識，早就 為仿生視覺和仿生聽覺技術(shù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)；而有關(guān)嗅覺的機(jī)理，直到 2004年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的獲得者理查德·阿克塞爾和琳達(dá)·巴克發(fā)現(xiàn)嗅覺 系統(tǒng)中的可以等量表達(dá)嗅覺受體類型的大家族基因后，人們對其才有了新的科 學(xué)認(rèn)識，進(jìn)而才為仿生嗅覺研究提供相應(yīng)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(shù)角度考慮，由于人類對視覺、聽覺的機(jī)理有較早的深入認(rèn)識，相應(yīng) 的視覺和聽覺傳感技術(shù)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(yīng)用。但由于人們對嗅覺機(jī)理認(rèn)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(dāng)于上世紀(jì)80年代末的視覺傳感器的水平，有待進(jìn)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(xué)認(rèn)識。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)域一、食品工業(yè)

1、煙酒產(chǎn)品的品質(zhì)鑒別，長期以來都是依靠專家的感官，即嗅覺和味覺來 進(jìn)行主觀評定。 2、專家評定方法往往受到人的生理、經(jīng)驗(yàn)、情緒、環(huán)境等主客觀因素的影響，難以得到科學(xué)、客觀、準(zhǔn)確的結(jié)論，因此人們期待一種更加準(zhǔn)確、客觀、快速的仿生評價(jià)方法和技術(shù)。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)域二、精細(xì)化工 香精香料、化妝品，香氣是評價(jià)其內(nèi)在質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。 傳統(tǒng)方法是采用專家評定和化學(xué)分析相結(jié)合。因?yàn)槿说母泄僖灼?，并且還具有適應(yīng)性和習(xí)慣性；而化學(xué)分析方法所需時(shí)間長，且得到的結(jié)果往往與人的感官感受又有差異。仿生嗅覺技術(shù)可以在新產(chǎn)品開發(fā)和在線質(zhì)量控制方面得到推廣使用。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)域三、中藥材 1、在中藥材的品質(zhì)鑒別中，氣味是品種和質(zhì)量鑒別的重要依據(jù)之一。 2、藥材的氣味與所含成分、性質(zhì)有關(guān)，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(zhì)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(fù)性差，準(zhǔn)確度低，難以形成標(biāo)準(zhǔn)。 5、用仿生嗅覺技術(shù)獲取中藥材或者中草藥的氣味信息后，經(jīng)過模式識別技術(shù)處理就 可避免上述缺點(diǎn)。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)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(jìn)行化驗(yàn)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(shù)直接檢測患者呼出的氣體并進(jìn)行分析，就能簡單快捷地對疾 病進(jìn)行診斷和醫(yī)治。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)域五、海關(guān)檢查 1、在海關(guān)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(xiǎn)品(如 炸藥)和違禁品(如毒品)等，但是訓(xùn)練和飼養(yǎng)警犬需要花費(fèi)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(shù)并結(jié)合仿生視覺技術(shù)就能夠更加精確和客觀地得到檢查結(jié)果。 3、國外已有一種準(zhǔn)確的仿生嗅覺系統(tǒng)，其本領(lǐng)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(yīng)用領(lǐng)域六、外空探索 1、人類對外太空的探索是一個(gè)意義深遠(yuǎn)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(xué)家們先后在火星探測器上裝有先進(jìn)的精密氣味檢測裝置， 科學(xué)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(yīng)用領(lǐng)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(zhì)，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(yīng)用的仿生視覺監(jiān)控技術(shù)的仿生嗅覺監(jiān)控技術(shù)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(nèi)，以此來保護(hù)我們正常的日常生活，保障人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全。1.3仿生嗅覺的應(yīng)用領(lǐng)域綜上所述仿生嗅覺技術(shù)應(yīng)用研究正在不斷深入發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。1.4仿生嗅覺技術(shù)展望

一、總體技術(shù)

1、硬件技術(shù)、軟件技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù) 2、硬件技術(shù)：以氣體傳感器陣列和嵌入式CUP為核心，加之進(jìn)氣裝置和加熱控制模 塊等構(gòu)成； 3、軟件技術(shù)：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(yīng)用技術(shù)：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(yīng)用領(lǐng)域范圍、提 高仿生嗅覺系統(tǒng)應(yīng)用的可靠性、準(zhǔn)確性和實(shí)用性。1.4仿生嗅覺技術(shù)展望

一、總體技術(shù)

6、仿生嗅覺系統(tǒng)的功能必將日益增強(qiáng)，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(yīng)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(yù)見，未來的仿生嗅覺技術(shù)將朝著強(qiáng)化技術(shù)、提高性能、降低成本、拓展應(yīng)用等方向發(fā)展。1.4仿生嗅覺技術(shù)展望

二、傳感器技術(shù)1、嗅覺傳感器是仿生嗅覺硬件技術(shù)發(fā)展的瓶頸問題，它是制約仿生嗅覺技術(shù)快速發(fā) 展的主要因素，也是全世界科學(xué)家專注研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。2、嗅覺傳感器由多個(gè)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(kuò)寬其應(yīng)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(yùn)用微機(jī)械加工技術(shù)、敏感薄膜形成技術(shù)、微電 子集成技術(shù)等現(xiàn)代制造技術(shù)是嗅覺傳感器發(fā)展的方向之一。1.4仿生嗅覺技術(shù)展望

三、新材料研究1.目前金屬氧化物半導(dǎo)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(guān)理論還不夠完善，還不具有成熟理論能指導(dǎo)嗅覺傳感器的生產(chǎn)和制造。2、以下兩個(gè)方向發(fā)展： （1）、是利用化學(xué)修飾改性方法，對現(xiàn)有氣體敏感膜材料進(jìn)行摻雜、表面修飾和改性等處理，并對成膜工藝進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高材料的穩(wěn)定性、重復(fù)性和交叉靈敏度； （2）、是研發(fā)新的氣體敏感膜材料，如復(fù)合型和混合型半導(dǎo)體氣敏材料、高分子氣敏材料。1.4仿生嗅覺技術(shù)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(gè)到幾十個(gè)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(yuǎn)少于人類 鼻腔所擁有的“嗅覺細(xì)胞”數(shù)，其體積也大于鼻腔“嗅上皮”