微型电子鼻可与动物气味检测相媲美

Josiah02 · 发表于 2024-11-7 23:41:27

想象一下，一个机器人可以像狗或老鼠一样，探测空气中的气味并有效地追踪气味的来源。如果实现，它可以探测茂密森林中的小规模野火，在地震后找到埋在废墟中的人员，甚至可以寻找松露。
我们的研究团队通过创建能够在几毫秒内识别气味的紧凑型电子鼻，使这一愿景更接近现实。
在我们的研究中，目标是探索这种人工嗅觉，并测试我们能以多快的速度从空气中提取有关环境的宝贵信息。我们发现“嗅觉速度”与哺乳动物相当，有时甚至超过哺乳动物。
我们的研究成果现已发表在《科学进展》上。
复杂且信息丰富的气味景观
动物感知气味的速度非常快，这种能力已经进化了数百万年，以提高它们的生存几率。但为什么需要这么快的速度呢？
答案在于气味在空气中传播的复杂性。与你想象的不一样，气味并不会随着你从气味来源移动到被检测到的地方而逐渐变弱。
相反，空气流动会形成一个高度混乱的环境，气味会以不规则的羽流形式传播，这些羽流可能非常短暂，并且会随着时间的推移而分散。这些羽流由小规模和大规模湍流空气动力学（包括风切变和分子扩散）以及环境边界条件的混合形成。
了解这些气味羽流对动物来说至关重要。每一次短暂的气味接触都能带来宝贵的信息。
例如，通过分析这些气味爆发的时间和频率，动物可以估计它距离气味源有多远。如果动物注意到两种不同的气味总是同时出现，这可能意味着它们的来源彼此非常接近。这些爆发浓度的变化也可以暗示气味羽流的大小和扩散。
这些微妙的线索可以帮助动物更快地决定在哪里寻找食物、躲避捕食者或寻找配偶。但要解开这些信息，它们的感觉和神经系统必须足够快，才能捕捉和处理气味景观中的这些快速变化。
动物和机器的嗅觉速度
动物感知气味并做出反应的速度因物种而异。蚱蜢和果蝇等昆虫只需几毫秒就能处理气味信号，这有助于它们轻松地进入环境并做出反应。蚊子可以感知到短至 30 毫秒的微小二氧化碳爆发，这就是为什么它们在夜间如此容易找到你的原因。
人们曾认为哺乳动物的嗅觉检测速度较慢，但最近的研究表明并非如此。2021年的一项具有里程碑意义的研究表明，老鼠可以在短短几毫秒内分辨出混合和不同来源的气味。上个月发表的一篇论文发现，即使是人类也可以区分仅相隔 60 毫秒的不同气味。
虽然存在快速气味传感器（例如光电离检测器），但它们体积太大、耗电太多，而且通常选择性不够，无法用于机器人。我们开发的设备现在弥补了这一空白。
我们发现，它可以在短短 50 毫秒内准确识别气味。此外，它可以解码每秒最多 40 次的气味切换模式，这与老鼠在执行源分离任务时的表现相似。这意味着我们的设备可以以与动物相匹配的速度“嗅闻”。
我们是如何做到的？
我们的电子鼻建立在比信用卡略小的多层电路板上。它配备了多个金属氧化物气体传感器以及温度和湿度传感器。
我们的设备与其他设备的不同之处在于使用了能够极其快速、精确地采样和控制这些传感器的高端电子设备，以及定制设计的算法和处理方法。
传感器的工作原理是，根据不同气体与表面氧化层的反应来改变其电气特性。要使传感器如此灵敏，一个关键步骤是将微小的传感点加热到几百度。
在湍流空气中，传感器温度容易波动，这会使气味检测和识别更加困难。通过不断高精度地测量和重新调整温度，我们实现了高灵敏度的传感器响应，可以检测到气味的细微快速变化。
我们还发现，每秒约 20 次在 150°C 和 400°C 之间快速切换温度会产生快速、独特的数据模式，让我们更容易识别特定气味。这种方法让我们的设备能够以惊人的速度和准确性捕捉气味。
应用和影响
为机器人配备快速气味传感器将使它们能够实时检测环境线索并做出反应。这将使机器人在具有挑战性的场景中实现更高效的导航和决策，为许多有前途的应用打开大门。
例如，及早发现野火可以减少数十亿吨的二氧化碳排放。卫星和飞机等传统探测方法只能在火灾达到一定规模时才发现。森林冠层以下或云层后面燃烧的火灾可能会被完全忽略。
配备快速电子鼻的无人机可以改变这一现状，它可以巡逻森林，识别小股烟雾，然后导航至烟雾源并确定其位置。这样一来，就可以有效覆盖大片区域，并在火灾失控之前发现它们。
另一个重要的应用是灾难响应。地震或建筑物倒塌后，迅速找到幸存者至关重要。
配备快速电子鼻的嗅觉机器人可以检测出被困在废墟下的人的独特气味特征，从而发挥救生作用。通过快速扫描复杂环境并识别人类气味痕迹，这些机器人可以比传统方法更快地引导救援队找到受害者，从而增加生存机会。
那么松露呢？也许有一天，我们的机器人可以和寻找松露的猪一较高下，证明科技也能发现美食。

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