新的“電子鼻”每秒采樣 60 次氣味

氣味無(wú)處不在，而且通常會(huì)迅速散去——例如，在野火等危險(xiǎn)情況下，風(fēng)況會(huì)迅速將任何煙霧（和煙味）帶離其來(lái)源。派人去檢查災(zāi)區(qū)總是有風(fēng)險(xiǎn)的，那么如果配備電子鼻或電子鼻的機(jī)器人可以通過(guò)“聞到”來(lái)追蹤危險(xiǎn)呢？
這個(gè)概念激發(fā)了 Science Advances 最近的一項(xiàng)研究，其中研究人員構(gòu)建了一種電子鼻，它不僅可以以與小鼠嗅覺(jué)系統(tǒng)相同的速度檢測(cè)氣味，還可以通過(guò)它們?cè)谂c電子鼻傳感器交互時(shí)隨時(shí)間產(chǎn)生的特定模式來(lái)區(qū)分氣味。
“當(dāng)加臭劑被湍流氣流帶走時(shí)，它們會(huì)被切成更小的包，”英國(guó)赫特福德大學(xué)教授邁克爾·施穆克 （Michael Schmuker） 說(shuō)。Schmuker 說(shuō)，這些氣味包會(huì)迅速變化，這意味著需要快速檢測(cè)有效的氣味感應(yīng)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)它們。氣味包的變化方式以及變化的頻率可以提供有關(guān)氣味來(lái)源有多遠(yuǎn)的線(xiàn)索。

E-nose 的工作原理
電子鼻使用金屬氧化物氣體傳感器，其傳感表面以每秒高達(dá) 20 次的速度加熱和冷卻至 150 °C 至 400 °C 之間。當(dāng)與氣味劑直接接觸時(shí)，傳感表面會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)。
電子鼻的電路和傳感器外殼被移除后的顯微鏡圖像。新的電子鼻比信用卡還小，包括幾個(gè)傳感器，例如右側(cè)的傳感器。NIK DENNLER 等人。
電子鼻比信用卡小，功耗僅為 1.2 至 1.5 瓦（包括微處理器和 USB 讀數(shù)）。研究人員使用現(xiàn)成的組件構(gòu)建了該系統(tǒng)，這些組件具有定制設(shè)計(jì)的數(shù)字接口，以便在遇到構(gòu)成傳感表面的加熱電極時(shí)更精確地探測(cè)氣味動(dòng)態(tài)?！皻馕秳┰诳諝庵辛魈?，其中一些會(huì)與熱表面發(fā)生反應(yīng)，”Schmuker 說(shuō)?！八鼈?nèi)绾闻c它反應(yīng)取決于它們自己的化學(xué)成分——它們可能會(huì)氧化或還原表面——但會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?！?br/>
因此，金屬氧化物電極的電阻會(huì)發(fā)生變化，這是可以測(cè)量的。這種變化的數(shù)量和動(dòng)態(tài)對(duì)于加臭劑和傳感器材料的不同組合是不同的。電子鼻使用兩對(duì)四個(gè)不同的傳感器來(lái)構(gòu)建電阻響應(yīng)曲線(xiàn)模式。電阻響應(yīng)曲線(xiàn)說(shuō)明了傳感器的電阻如何隨時(shí)間變化以響應(yīng)刺激（如氣味）。這些曲線(xiàn)捕獲了傳感器將物理交互（如氣味分子與其表面結(jié)合）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程。由于每種氣味都會(huì)產(chǎn)生不同的響應(yīng)模式，因此分析電信號(hào)如何隨時(shí)間演變有助于識(shí)別特定的氣味。
“我們發(fā)現(xiàn)，以每秒約 20 次的速度在 150°C 和 400°C 之間快速來(lái)回切換溫度會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的數(shù)據(jù)模式，從而更容易識(shí)別特定氣味，”赫特福德大學(xué)和西悉尼大學(xué)的雙博士生 Nik Dennler 說(shuō)。通過(guò)構(gòu)建加臭劑在這些不同溫度下的反應(yīng)圖，可以將響應(yīng)曲線(xiàn)插入機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，以發(fā)現(xiàn)與特定氣味相關(guān)的模式。
雖然電子鼻不像普通鼻子那樣“嗅”，但用于檢測(cè)氣味的周期性加熱循環(huán)讓人想起哺乳動(dòng)物進(jìn)行的周期性嗅探。

在災(zāi)害管理中使用 E-nose
倫敦弗朗西斯·克里克研究所和倫敦大學(xué)學(xué)院的研究人員在 2021 年的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)表明，小鼠每秒可以區(qū)分高達(dá) 40 次的氣味波動(dòng)——這與長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為哺乳動(dòng)物需要一次或多次嗅聞才能獲得任何有意義的氣味信息的看法相反。
在這項(xiàng)新工作中（部分由 2021 年發(fā)現(xiàn)背后的同一位研究人員進(jìn)行），研究人員發(fā)現(xiàn)電子鼻可以像老鼠一樣快地檢測(cè)到氣味，能夠每秒分辨和解碼高達(dá) 60 次的氣味波動(dòng)。電子鼻目前可以區(qū)分 5 種不同的氣味，無(wú)論是單獨(dú)呈現(xiàn)還是混合兩種氣味。如果經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，電子鼻可以檢測(cè)到額外的氣味。
“我們發(fā)現(xiàn)它可以在短短 50 毫秒內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別氣味，并解碼氣味切換之間的模式，每秒高達(dá) 40 次，”Dennler 說(shuō)。相比之下，最近的人類(lèi)研究表明，區(qū)分與相同嗅覺(jué)受體結(jié)合的兩種氣味的閾值約為 60 毫秒。
小規(guī)模和中等功率要求使電子鼻能夠部署在用于查明氣味來(lái)源的機(jī)器人中?！斑€有其他快速技術(shù)，但通常非常笨重，你需要一個(gè)大電池來(lái)為它們供電，”Schmuker 說(shuō)?！拔覀兛梢詫⑽覀兊脑O(shè)備放在一個(gè)小型機(jī)器人上，并評(píng)估它在你今天使用嗅探犬的應(yīng)用中的應(yīng)用?！?br/>“一旦你開(kāi)車(chē)、走路或四處飛行，你就需要非?？焖俚馗兄?，”Dennler 說(shuō)?！笆褂梦覀兊碾娮颖?，我們可以高速捕獲氣味信息。主要應(yīng)用可能涉及氣味引導(dǎo)導(dǎo)航任務(wù)，或者更普遍地說(shuō)，在移動(dòng)中收集氣味信息。
研究人員正在考慮將這些小型電子鼻機(jī)器人用于災(zāi)害管理應(yīng)用，包括定位野火和天然氣泄漏，以及在地震后尋找被埋在瓦礫中的人。