仿生系列4--機器人的嗅覺系統

導言：對于人類而言，不同的氣味常常會使我們的情緒發生變化，或甚至能向我們發出危險的信號。而機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，是因為鼻子的黏膜中包含由近3000萬個嗅覺細胞組成的350個嗅覺感受器。據統計，人類在高度集中注意力的時候最多可以識別約一萬種氣味。而嗅覺更發達的犬類擁有2.5億個嗅覺細胞，可以聞出大約100萬種氣味。

不過對于機器而言，氣味只是一些可以被分析和評估的分子。目前，機器人使用的電子鼻子還很初級，它最多包含32個傳感器，也就是說只有32個“嗅覺細胞”。雖然傳感器的識別精度遠比嗅覺細胞高，但是只有將每一種氣味預先存儲到數據庫中時，電子鼻子才能識別它們。盡管如此，在工業制造和醫學領域，電子鼻子已經成為不可替代的預警系統。

傳感器：將氣味變為電子信號

對于電子鼻子的具體實現方式，科學界還沒有統一的答案，目前全球各地的科學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可以“吸收”氣味的結構，以及將其轉換為電信號的傳感器。“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的Weimar教授告訴我們。從技術原理上看，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改變壓電晶體的固有電子震蕩，因此就可以將氣味分子轉換為電信號；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電性發生變化，從而將氣味分子轉換為電信號。需要了解的是，人類鼻子的嗅覺實現原理與嗅覺傳感器不同，我們的每一種嗅覺細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。

目前科學家們已經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，因為傳感器只是化學級別的記錄設備，真正的識別過程還需要配合軟件中的氣味模型數據庫來進行。而這個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的記憶進行比對，才能判斷出這種氣味代表什么。電子鼻子的“大腦”就是軟件和數據庫，它們首先將幾種嗅覺測試的結果錄入到數據庫中，然后將測試結果與已經存在的數據進行對比，數據庫的規模決定了電子鼻子對氣味的識別能力和準確度。

救生員：電子鼻子響起的警報

毫無疑問，電子鼻子在氣味識別能力上與人類的鼻子相比還非常有限，但是它們已經成為一些領域的基本裝備。比如，在一些智能汽車空氣循環系統中，傳感器可以感應到車輛駛入隧道中，從而自動將外循環風改為內循環風。另外，由于大部分化學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中的一氧化碳等有害氣體含量，從而評估催化轉換器（又稱觸媒轉化器）的工作效率。

此外，電子鼻子在機場和醫療衛生領域都已經開始發揮作用。例如，機場的安全部門采用電子鼻子幫助機場員工檢測毒品和易燃易爆物品。然而，目前經過專業訓練的警犬依然是最好的探測器，電子鼻子的檢測結果還只能提供參考，因為被電子鼻子“記錄在案”的氣味分子樣本還不夠多。在醫療衛生領域，電子鼻子未來可以發揮的作用更加令人興奮，電子鼻子將幫助醫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”。目前已經有研究者將含有二氧化碳同位素的藥片與嗅覺傳感器結合起來，讓患者吃下這種藥片，隔一段時間后通過測量其體內的放射強度來檢測細菌感染率。

結論

電子鼻子還處于發展的初級階段。該技術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量。科學家們已經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帶來新的可能性，例如德國的一群研究者正在設計一種可以集成到手機上的小型移動傳感器，利用該裝置，醫生只需要給患者打個電話就可以完成呼吸測試，從而為患者定制個性化的醫療方案。