基於生物嗅覺機理採用時空模式特徵的仿生電子鼻研究

《基於生物嗅覺機理採用時空模式特徵的仿生電子鼻研究》是依託浙江工商大學，由傅均擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於生物嗅覺機理採用時空模式特徵的仿生電子鼻研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：傅均
• 依託單位：浙江工商大學

項目摘要

電子鼻是模擬生物嗅覺原理構建的智慧型分析儀器，與人工感官審評法和現代分析儀器相比，具有客觀、快速、簡單和低價等優點。但目前電子鼻從概念到設計都還局限於有限結構和功能上的仿生，其氣味識別過程及能力與動物相比顯得非常笨拙。本項目擬在工程技術角度研究生物嗅覺機理，借鑑其多種仿生元素，改進電子鼻中氣敏感測陣列和信息處理算法兩大關鍵技術，以實現一種在結構、行為和功能上更接近生物嗅覺的仿生電子鼻系統，具體包括：研究基於鼻腔構造和黏膜功能的仿生氣室及感測陣列，採用工作溫度調製技術和透氣膜延遲技術獲取複雜氣味成分的綜合時空信息；研究嗅球和嗅皮層的時空模式識別和隨機共振現象，改進和整合多種側重不同環節的嗅覺模型，構建仿生信息處理算法，以適合直接加工上述時空氣味信息，增強學習與識別能力。預期研究成果可用於環境、食品等領域對大量複雜氣味的精細辨識或感官審評，同時期望突破電子鼻的傳統框架，促進人工嗅覺的理論發展。

結題摘要

本項目從工程學角度探究嗅覺原理，將生物學界已有理論研究成果，結合電子鼻技術需求進行改造、整合，嘗試在傳統電子鼻中加入更多仿生元素，使其在結構和功能上更接近生物嗅覺實際。 本項目圍繞時空氣味信息的獲取和處理，在電子鼻兩大關鍵技術——氣敏感測陣列構建、氣味信息處理中引入了多種生物嗅覺機理，並研製了攜帶型智慧型電子鼻系統用於食品領域的質量評價，基本完成了預期研究目標。具體包括：（1）研究生物嗅覺的鼻黏膜色譜效應機制在電子鼻中的套用，通過Fluent軟體仿真和實驗最佳化，構造基於多腔氣室、延時通道和感測陣列立體布局的仿生鼻腔及其測控系統，用於獲取時空氣味信息；（2）研究生物嗅覺主動感知機制在電子鼻中的套用，結合POMDP模型、HMM模型和貝葉斯風險準則，提出了一種仿生電子鼻的主動感知模型，用於處理時空氣味信息；（3）研製內置多種模式識別算法的一體化攜帶型智慧型電子鼻系統，以及設計基於電子鼻原理的質量跟蹤裝置，用於水果貨架期、茶葉儲運等方面的食品質量評價；（4）研究味覺電化學和生物感測器及其液相反應裝置，類比鼻黏膜黏液中氣味反應過程，以拓展構建感測陣列時的選型範圍。 通過與BP神經網路和Weka中的HyperPipes、Bagging、PART等數據挖掘算法比較，發現採用上述仿生鼻腔和主動感知模型獲取和處理時空氣味信息，具有較高的識別率和收斂速度，而且能根據環境氣味刺激及先驗知識主動動作或做出決策，有望用於機器人氣味追蹤與嗅覺導航等領域。本項目的研究不僅以改進電子鼻氣味識別能力為目標，而且一定程度上更新了電子鼻傳統仿生思維，有利於人工嗅覺的理論發展。