清華新聞網(wǎng)2月20日電 視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)三大感官是人類感知世界的重要手段。近年來(lái)，機(jī)器視覺(jué)（視頻）、機(jī)器聽(tīng)覺(jué)（音頻）已展現(xiàn)出媲美人類視覺(jué)與聽(tīng)覺(jué)的感知能力。與此同時(shí)，學(xué)者們長(zhǎng)期致力于設(shè)計(jì)制造性能超越人類嗅覺(jué)的電子鼻設(shè)備。受限于當(dāng)前氣體傳感器技術(shù)的限制，電子鼻在復(fù)雜氣味辨識(shí)、多氣味分類等問(wèn)題上仍難以匹敵人類嗅覺(jué)，電子鼻研究仍需進(jìn)一步借鑒仿生人類嗅覺(jué)。
近日，清華大學(xué)機(jī)械系在電子鼻仿生嗅聞研究中取得新進(jìn)展。研究人員提出一種用于電子鼻氣體采樣的仿生嗅聞策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同烈酒氣味的準(zhǔn)確辨識(shí)。傳統(tǒng)的電子鼻氣體采樣往往采取單次進(jìn)樣策略，得到的電子鼻傳感信號(hào)缺乏有效的動(dòng)態(tài)特征。該研究所提的仿生嗅聞策略通過(guò)模仿專業(yè)品酒師的嗅聞方法，創(chuàng)新性地引入多重重疊的嗅聞（Multiple Overlapping Sniffs, MOSS），以使電子鼻的傳感器陣列產(chǎn)生動(dòng)態(tài)特征豐富的時(shí)序信號(hào)，從而提升對(duì)不同氣體的感知辨識(shí)能力。
圖1.(a)具有仿生肺的電子鼻設(shè)備示意圖、(b)多重重疊嗅聞(MOSS)策略示意圖
該研究設(shè)計(jì)制造了具有仿生肺的電子鼻設(shè)備，采用了可編程注射泵模擬仿生肺結(jié)構(gòu)，并基于催化化學(xué)發(fā)光原理設(shè)計(jì)制造了氣體傳感陣列。該仿生肺能以1Hz頻率連續(xù)吸入測(cè)試氣體并注射到催化化學(xué)發(fā)光（CTL）傳感器表面，從而實(shí)現(xiàn)多重重疊嗅聞策略的氣體進(jìn)樣。該電子鼻設(shè)備的氣體傳感陣列將4種納米金屬氧化物作為催化劑，可對(duì)復(fù)雜成分氣體中的揮發(fā)性有機(jī)物（VOC）產(chǎn)生交叉響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同氣體的差異化感知。其中CTL傳感器的響應(yīng)時(shí)間約為4秒，可及時(shí)響應(yīng)嗅聞引發(fā)的動(dòng)態(tài)氣流變化并輸出響應(yīng)信號(hào)。
圖2.針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物氣體的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)
該研究首先針對(duì)揮發(fā)性有機(jī)物氣體（VOC）辨識(shí)進(jìn)行探究。研究者在單個(gè)CTL傳感器上對(duì)三種不同濃度的VOC氣體（乙烯、乙炔、丁烷）展開(kāi)檢測(cè)，分別使用傳統(tǒng)單次進(jìn)樣方法與MOSS策略進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)表明，在傳統(tǒng)氣體進(jìn)樣方法下，該CTL傳感器響應(yīng)幅值與氣體濃度成正比，而無(wú)法提取有效的VOC種類信息。在所提供的MOSS策略下，該CTL傳感器的時(shí)序信號(hào)波形具有明顯的區(qū)分度。實(shí)驗(yàn)證明，將時(shí)序信號(hào)的相對(duì)峰值作為特征向量，可直接通過(guò)主成分分析，同時(shí)辨識(shí)VOC氣體種類與濃度，而無(wú)需額外的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。
圖3.針對(duì)烈酒種類的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)
在研究中，研究者也針對(duì)不同烈酒種類辨識(shí)展開(kāi)探究。研究者在4個(gè)CTL傳感器組成的電子鼻上對(duì)6種烈酒展開(kāi)檢測(cè)，分別使用傳統(tǒng)單次進(jìn)樣方法與MOSS策略進(jìn)行采樣。實(shí)驗(yàn)證明，相較于傳統(tǒng)單次進(jìn)樣方法，MOSS策略可將該電子鼻設(shè)備對(duì)6種烈酒的辨識(shí)準(zhǔn)確度從81.94%提升到95.83%，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同烈酒種類的高準(zhǔn)確度辨識(shí)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，在僅有2個(gè)CTL傳感器檢測(cè)6種烈酒的限制條件下，傳統(tǒng)單次進(jìn)樣方法的電子鼻僅能實(shí)現(xiàn)61.11%的辨識(shí)準(zhǔn)確度，而MOSS策略可使該電子鼻實(shí)現(xiàn)91.67%的辨識(shí)準(zhǔn)確度。以上實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了MOSS策略對(duì)電子鼻氣味辨識(shí)能力的顯著提升效果。
圖4.MOSS策略的計(jì)算流體力學(xué)驗(yàn)證
針對(duì)MOSS策略的動(dòng)力學(xué)原理，該研究進(jìn)行了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果說(shuō)明，由于同一CTL傳感器對(duì)不同氣體成分的響應(yīng)方程及參數(shù)并不相同，這一差異在MOSS策略引發(fā)的動(dòng)態(tài)氣流下會(huì)直接導(dǎo)致時(shí)序傳感信號(hào)的波形差異，從而有助于模式識(shí)別算法從傳感信號(hào)中提取特征數(shù)據(jù)并辨識(shí)不同氣體成分，這為研究所提的MOSS策略提供了明確的理論依據(jù)。
未來(lái)研究中，MOSS策略將有望應(yīng)用于多樣化的復(fù)雜氣味檢測(cè)分析場(chǎng)景，例如基于人體呼出氣檢測(cè)的癌癥、流感、糖尿病等疾病無(wú)損診斷，基于有害氣體檢測(cè)的爆炸物搜尋與火災(zāi)隱患預(yù)警，基于香氣檢測(cè)的白酒、茶葉品質(zhì)評(píng)估與真?zhèn)舞b別。
圖5.相關(guān)論文登于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）期刊內(nèi)封面
相關(guān)研究成果以“像品酒師一樣嗅聞：多重重疊嗅聞（MOSS）策略增強(qiáng)電子鼻的氣味辨識(shí)能力”（Sniffing Like a Wine Taster: Multiple Overlapping Sniffs ?MOSS? Strategy Enhances Electronic Nose Odor Recognition Capability）為題發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）2024年第7期，被選為期刊內(nèi)封面文章。同時(shí)該文作為亮點(diǎn)文章，被Wiley雜志社旗下國(guó)際科研新聞傳播平臺(tái)Advanced Science News以“模仿品酒師嗅聞的人工鼻”（An artificial nose that sniffs like a wine taster）為題進(jìn)行了采訪報(bào)道，并發(fā)布于Wiley中國(guó)官方公眾號(hào)Advanced Science News上。
清華大學(xué)機(jī)械系長(zhǎng)聘副教授胡楚雄為該論文通訊作者，清華大學(xué)機(jī)械系2019級(jí)博士生劉路正為第一作者，北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授那娜作為第二作者為研究工作作出貢獻(xiàn)。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、摩擦學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305639
報(bào)道鏈接：
https://www.advancedsciencenews.com/an-artificial-nose-that-sniffs-like-a-wine-taster/
供稿：機(jī)械系
題圖設(shè)計(jì)：韓羽臻
編輯：徐子越
審核：段穎
