英國研發(fā)電子鼻 可檢測(cè)水果成熟程度

人們都知道，警犬之所以能協(xié)助公安人員破案，是因?yàn)槠湫嵊X特別靈敏。許多哺乳動(dòng)物的鼻腔內(nèi)壁上雖然只有大約1000個(gè)嗅覺傳感器，但它卻能辨別出種類達(dá)數(shù)以千計(jì)的不同氣味，這曾經(jīng)一直使科學(xué)家們困惑不解?？茖W(xué)家最近通過利用鼠類進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，哺乳動(dòng)物不是利用一個(gè)味覺傳感器來感知一種氣味，而是用多個(gè)傳感器組合起來共同對(duì)某種氣味進(jìn)行“探測(cè)”。每一種不同的組合感知一種不同的氣味。由于組合方式多種多樣，因此動(dòng)物能辨別大量不同的氣味，這一過程就好比是用字母進(jìn)行不同的組合，可以構(gòu)成大量的單詞。幾年前，科學(xué)家還曾鑒定出一個(gè)家族受體基因，認(rèn)為它與氣味的識(shí)別功能有關(guān)，后來它被證實(shí)就是哺乳動(dòng)物的氣味受體。一般而言，在動(dòng)物的鼻子中，特定受體的表達(dá)能夠刺激其嗅覺系統(tǒng)神經(jīng)元對(duì)特定氣味的識(shí)別。這一探索大腦氣味識(shí)別奧秘的研究結(jié)果也為進(jìn)一步深入研究掃除了障礙。

對(duì)于人類來說，嗅覺已經(jīng)退化，遠(yuǎn)遠(yuǎn)遜色于大多數(shù)哺乳動(dòng)物。不過，最近澳大利亞卻發(fā)現(xiàn)了一位名叫羅德雷的奇人，他的鼻子的嗅覺比普通人的要靈敏25000倍，比一只訓(xùn)練有素的警犬的鼻子的嗅覺還要強(qiáng)2倍。羅德雷今年只有23歲，經(jīng)醫(yī)生確診為輕度低能兒，但嗅覺特別靈敏，有人曾將一瓶打開蓋的花生醬放在10英里遠(yuǎn)的地方，他竟能循著氣味找到它。1994年，當(dāng)他通過嗅到離家8英里遠(yuǎn)的怪異氣味，幫助警察發(fā)現(xiàn)一具掩埋在地下的尸體后，就被警方聘請(qǐng)擔(dān)任“編外警員”，利用他特殊的本領(lǐng)來專門從事物證搜尋工作。在五年多時(shí)間里，羅德雷一共參與了警方124次現(xiàn)場(chǎng)偵查，每次他都旗開得勝，成功地幫助警察抓回了逃跑的罪犯，找到失蹤的兒童，查出了殺人犯藏匿尸體之處。

然而，目前世界上發(fā)現(xiàn)的具有這種特殊嗅覺的畢竟只有羅德雷一人，而且還沒有人能說清是什么原因使他具有此等超常的能力。因此，人類如果打算提高嗅覺能力，就只有依靠現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展了。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用極大地促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，并開創(chuàng)了產(chǎn)業(yè)技術(shù)革命的新時(shí)期。今天的工業(yè)計(jì)算機(jī)已經(jīng)能夠替代人的大腦以及多個(gè)功能器官，從事計(jì)算、檢驗(yàn)、測(cè)試、裝配和自動(dòng)化控制等操作程序，不僅緩解了人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也使生產(chǎn)效率得到成倍提高，有關(guān)利用計(jì)算機(jī)替代人的鼻子進(jìn)行識(shí)別氣味的研究工作，也在世界各國積極開展。

人體嗅覺器官識(shí)別氣味是一個(gè)很復(fù)雜的生理反應(yīng)過程。自然界氣味的種類成千上萬，甚至專門從事氣味識(shí)別工作的專業(yè)人員也常常出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤，而計(jì)算機(jī)要模擬人的嗅覺器官則更加困難。計(jì)算機(jī)要完成這一任務(wù)需要解決兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是搞清不同氣味的全部分子結(jié)構(gòu)和組合，并將其數(shù)字化；二是開發(fā)高靈敏度的氣味傳感器。舉例說，啤酒的氣味由700多種不同的分子組成。科技人員要為啤酒生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)工序開發(fā)計(jì)算機(jī)氣味識(shí)別系統(tǒng)，就必須搞清700多種氣味分子的結(jié)構(gòu)和組合、合格產(chǎn)品以及不合格產(chǎn)品的分子特性，并將其數(shù)字化后儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里；高分辨率的氣味傳感器可將采集到的產(chǎn)品氣味傳給計(jì)算機(jī)分析比較，最后由計(jì)算機(jī)作出質(zhì)量鑒定。大部分食品生產(chǎn)行業(yè)均可使用該技術(shù)實(shí)施質(zhì)量管理。

科學(xué)家已經(jīng)在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)一些材料具有對(duì)氣味非常敏感的功能。例如，把二氧化錫及少量氯化鈀研細(xì)、成型，在高溫下燒結(jié)成多孔性的半導(dǎo)體陶瓷小片，把它裝在一個(gè)小棍的頭部構(gòu)成探頭或安放在絕緣片上形成薄膜，就具有很強(qiáng)的吸附氣體的本領(lǐng)。這個(gè)半導(dǎo)體陶瓷探頭表面吸附有氧的分子，當(dāng)探頭靠近某一區(qū)域時(shí)，若該處有易燃易爆氣體，如一氧化碳等，便容易與探頭上吸附的氧結(jié)合。半導(dǎo)體表面的氧少了，電阻值就會(huì)發(fā)生變化。這個(gè)變化經(jīng)放大器放大，就明顯地顯示出來，當(dāng)這一區(qū)域的危險(xiǎn)氣體達(dá)到一定濃度時(shí)，這種放大的信號(hào)就可以帶動(dòng)蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，可使人們提前采取措施，預(yù)防可能發(fā)生的中毒、火災(zāi)等事故。因?yàn)檫@種半導(dǎo)體材料對(duì)氣體有敏感作用，所以人們稱其為氣敏半導(dǎo)體材料。利用這種材料已經(jīng)制作出許多“電子鼻”，有的能對(duì)一種氣味敏感，有的能對(duì)多種氣味敏感。它們不僅可以聞出氣味，還可以分辨出氣味的濃度。因?yàn)?ldquo;電子鼻”對(duì)不同濃度的氣體有著不同程度的反應(yīng)，比如空氣中氫氣的濃度為百萬分之一時(shí)，它也能嗅出來。隨著濃度的增加，反應(yīng)的程度也變大，目前，這種“電子鼻”已經(jīng)可以嗅出苯、一氧化碳、氫氣、酒精、油漆、氨等幾十種氣味，據(jù)測(cè)試，“電子鼻”嗅覺的靈敏度比警犬還要高出1000多倍。近年來新生產(chǎn)的電子鼻不僅可以聞味，而且對(duì)濕度、溫度等也有一定的敏感性。

英國最近研制出一種能檢測(cè)水果成熟程度的新型“電子鼻”?，F(xiàn)有的水果成熟度檢測(cè)手段大多需要從水果中提取出一定成分，這往往會(huì)給水果造成不同程度的損壞。這種新型“電子鼻”是采用聞氣味的方法進(jìn)行檢測(cè)，因此不會(huì)損傷水果。它由氣味傳感器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)元件結(jié)合而成。傳感器探測(cè)到的水果氣味，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理后與數(shù)據(jù)庫中的資料進(jìn)行比較，即可精確計(jì)算出水果成熟到何種程度。如果“電子鼻”事先能接受“訓(xùn)練”掌握一定“經(jīng)驗(yàn)”，那么它還可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過“訓(xùn)練”的“電子鼻”最快在幾秒鐘內(nèi)即可得出檢測(cè)結(jié)果；而且其精確度超過92%。研究人員目前重點(diǎn)研究用“電子鼻”對(duì)香蕉和蘋果成熟度進(jìn)行檢測(cè)，他們認(rèn)為此項(xiàng)技術(shù)將很容易應(yīng)用于其它水果。

美國國防部的高級(jí)研究項(xiàng)目部門正在全力以赴研究狗那靈敏的嗅覺功能，借此開發(fā)出一種有分辨力的電子鼻。狗能十分利索地搜尋爆炸物，但一般來說每次工作時(shí)間不得超過30分鐘，否則它會(huì)變得精疲力盡而使靈敏度下降。專家們認(rèn)為：目前的探雷技術(shù)不能識(shí)別出地雷的特征，它們有時(shí)要發(fā)出假警報(bào)。例如：地面滲透雷達(dá)能識(shí)別出土壤中電特性的變化；但卻會(huì)被巖石和樹根干擾而產(chǎn)生誤判；金屬探雷器會(huì)受到金屬廢棄物的影響；紅外線傳感器能尋找埋在地下的物體，但卻會(huì)受到植物、陰影和土壤中含水量的干擾。新研制的“電子鼻”能對(duì)地雷的特殊氣味有所反應(yīng)，這種電子鼻可以裝配成一小巧、輕便、高效的零部件，而其牢固度足以滿足野外使用的要求。此外，一種有望幫助士兵感知化學(xué)武器進(jìn)攻的“電子鼻”也在研制之中。其原理是設(shè)立一個(gè)分子“海關(guān)”，分子“海關(guān)”的形狀有兩種，一種形似煙囪，只允許纖長的分子通過；另一種形似山洞，只允許短粗的分子通過。

通過發(fā)明用途廣泛的“電子鼻”，以代替人的嗅覺器官，自動(dòng)區(qū)分不同氣味，完成諸如產(chǎn)品分類、質(zhì)量控制和環(huán)境安全監(jiān)測(cè)等任務(wù)，不僅在化工、石油、礦山、航空、航天、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等科學(xué)研究部門有著很重要的應(yīng)用價(jià)值，而且還將在公安、邊防部隊(duì)中發(fā)揮越來越重要的作用。因此，研制適合不同行業(yè)的高分辨率計(jì)算機(jī)氣味識(shí)別裝置不僅是今后計(jì)算機(jī)技術(shù)開發(fā)的重要任務(wù)，其產(chǎn)品也具有巨大的市場(chǎng)潛力。