仿生系列4--机器人的嗅觉系统

导言：对于人类而言，不同的气味常常会使我们的情绪发生变化，或甚至能向我们发出危险的信号。而机器人的鼻子却可以检测病人呼出的气体，通过分析其中携带的特定化学成分来查找病因。

夏日清晨的空气沁人心脾，而下水道的腐臭使人远离。的确，有的气味让我们神往，而有的气味却让我们反感。人类之所以对气味如此敏感，是因为鼻子的黏膜中包含由近3000万个嗅觉细胞组成的350个嗅觉感受器。据统计，人类在高度集中注意力的时候最多可以识别约一万种气味。而嗅觉更发达的犬类拥有2.5亿个嗅觉细胞，可以闻出大约100万种气味。

不过对于机器而言，气味只是一些可以被分析和评估的分子。目前，机器人使用的电子鼻子还很初级，它最多包含32个传感器，也就是说只有32个“嗅觉细胞”。虽然传感器的识别精度远比嗅觉细胞高，但是只有将每一种气味预先存储到数据库中时，电子鼻子才能识别它们。尽管如此，在工业制造和医学领域，电子鼻子已经成为不可替代的预警系统。

传感器：将气味变为电子信号

对于电子鼻子的具体实现方式，科学界还没有统一的答案，目前全球各地的科学家们都在探索自己的解决方案。但是毫无疑问，所有的电子鼻子都必须包含一个可以“吸收”气味的结构，以及将其转换为电信号的传感器。“压电晶体和金属氧化物是最常用的嗅觉传感器材料”，来自德国图宾根大学的Weimar教授告诉我们。从技术原理上看，压电晶体（QMB传感器）是通过微天平吸收气味分子，由于气味分子的类型和浓度会改变压电晶体的固有电子震荡，因此就可以将气味分子转换为电信号；金属氧化物（MOS传感器）则是通过将气味分子“粘”到一层薄薄的金属氧化物层上，使该金属氧化物薄层的导电性发生变化，从而将气味分子转换为电信号。需要了解的是，人类鼻子的嗅觉实现原理与嗅觉传感器不同，我们的每一种嗅觉细胞只拥有一种类型的气味受体，而每种受体只能感受到特定的气味分子。

目前科学家们已经使用多种不同的材料，比如氧化锡或者氧化锌制作出了可以识别不同红酒气味的专用传感器。但是只凭传感器并不能告诉我们闻到的是雷司令葡萄酒（一种白葡萄酒）还是无铅汽油，因为传感器只是化学级别的记录设备，真正的识别过程还需要配合软件中的气味模型数据库来进行。而这个过程与人类大脑的工作方式非常类似，即鼻子吸入的气味需要与大脑中存储的记忆进行比对，才能判断出这种气味代表什么。电子鼻子的“大脑”就是软件和数据库，它们首先将几种嗅觉测试的结果录入到数据库中，然后将测试结果与已经存在的数据进行对比，数据库的规模决定了电子鼻子对气味的识别能力和准确度。

救生员：电子鼻子响起的警报

毫无疑问，电子鼻子在气味识别能力上与人类的鼻子相比还非常有限，但是它们已经成为一些领域的基本装备。比如，在一些智能汽车空气循环系统中，传感器可以感应到车辆驶入隧道中，从而自动将外循环风改为内循环风。另外，由于大部分化学合成物是完全无色无味的，无论浓度有多高，人类的鼻子都不能感知到，而电子鼻子却可以探测到浓度极小的“无色无味”气体分子，所以嗅觉传感器还可以检测汽车废气排放系统中的一氧化碳等有害气体含量，从而评估催化转换器（又称触媒转化器）的工作效率。

此外，电子鼻子在机场和医疗卫生领域都已经开始发挥作用。例如，机场的安全部门采用电子鼻子帮助机场员工检测毒品和易燃易爆物品。然而，目前经过专业训练的警犬依然是最好的探测器，电子鼻子的检测结果还只能提供参考，因为被电子鼻子“记录在案”的气味分子样本还不够多。在医疗卫生领域，电子鼻子未来可以发挥的作用更加令人兴奋，电子鼻子将帮助医生通过气味来检测疾病。例如，有一种特殊的肿瘤甚至可以“闻出来”。目前已经有研究者将含有二氧化碳同位素的药片与嗅觉传感器结合起来，让患者吃下这种药片，隔一段时间后通过测量其体内的放射强度来检测细菌感染率。

结论

电子鼻子还处于发展的初级阶段。该技术面临的最大困难就是传感器材料无法满足需要记录的气味分子样本数量。科学家们已经开始寻找比金属氧化物和压电晶体传感器更好的材料，我们相信新的材料将会带来新的可能性，例如德国的一群研究者正在设计一种可以集成到手机上的小型移动传感器，利用该装置，医生只需要给患者打个电话就可以完成呼吸测试，从而为患者定制个性化的医疗方案。