基本介紹
- 中文名：機器嗅覺
- 外文名：Machine olfaction
- 類型：電子信息，仿生技術，信號處理
- 定義：新穎仿生檢測技術
- 特點：模擬生物嗅覺
原理,機器嗅覺的技術基礎,機器嗅覺歷史,
原理
氣味分子被機器嗅覺系統中的感測器陣列吸附，產生電信號；生成的信號經各種方法加工處理與傳輸；將處理後的信號經計算機模式識別系統做出判斷。
機器嗅覺的技術基礎
1 氣體感測器及其陣列
陣列中的氣體感測器各自對特定氣體具有相對較高的敏感性，由一些不同敏感對象的感測器構成的陣列可以測得被測樣品揮發性成分的整體信息，與人的鼻子一樣，聞到的是樣品的總體氣味。
常用感測器按材料可分為：金屬氧化物型半導體感測器；導電聚合物感測器；質量感測器；光纖氣體感測器。
2 信號預處理方法
信號預處理方法應根據實際使用的感測器類型，模式識別方法和識別任務選取。
通常認為嗅覺模擬系統中某一感測器i對氣味j的回響為一時變信號Vii，由n個感測器組成的陣列對氣味j的回響是n維狀態空間的一個矢量Vj，可寫為：Vj={V1J,V2J,……，Vnj}
氣味感測器陣列對氣味j的回響靈敏度部分取決於感測器的質量。此外，測試環境和信號處理方式也有十分重要的作用。
3 模式識別技術
模式識別伴隨著計算機的研究，套用發展起來的一門新興學科，在計算機理論，信號與信息處理，自動控制理論等方面得到了廣泛的套用。近年來被用於仿生鼻中，已引起普遍的重視。
在機器嗅覺中，模式識別技術是對預處理之後的信號再進行適當的處理，獲得氣體組成成分和濃度的信息。
機器嗅覺歷史
20世紀中葉，各種化學感測器基本理論和實際套用研究均取得了長足的進展。
1962年瑞典斯德哥爾摩召開了國際上最早的嗅覺學術交流會。
80年代初期，在科技文獻中出現了技術術語“電子鼻”（機器嗅覺俗稱）
1997年 美國聖地亞哥召開了最大規模的一次會議，主題是鼓勵在嗅覺化學感覺方面的基礎和套用方面的研究
人類思索氣味的問題至少可以追溯到公元前4世紀的古希臘時代。亞里士多德認為，氣味是有氣味的物質發出的輻射，被我們感覺到。比亞里士多德稍晚的另一位希臘學者伊壁鳩魯，在德謨克利特的原子論的基礎上解釋了嗅覺：不同形狀的原子讓鼻子感覺到不同的味道。事實上，人類對氣味的追索在一定程度上改變了人類的歷史。而且，在人類漫長的進化歷史中，感知氣味這一功能也影響過我們的命運。
世界上不存在非氣味物質。氣味是物質的外部特徵，能準確地代表物質的本質。無論是高級動物或是低級動物，都具有對周圍環境的化學刺激——氣味進行感知並作出適當反應的能力。僅以人類自身來說，其日常生活和生產活動都與周圍的大氣環境密切相關，大氣的變化對人類有極大的影響。隨著工業規模逐漸擴大，產品的種類不斷增多，氣體原料和生產過程中產生的氣體種類和數量不斷境加，環境污染已逐漸影響到人類的生存。任何生物的嗅覺都有一定的感知範圍，也必有它的盲區。生物嗅覺的感知範圍，僅僅與它的生存需要有關，與生存有益的為正相關，與生存有害的為負相關，與生存無關的氣味是它的盲區。也有特殊情況，如氧氣、水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳與生存相關，而人對它們無感覺，是因為它們一直存在於空氣中，人們不需要刻意尋求或防範它們，所以人的嗅覺中樞刪除了它們的氣味信號。對人類生存和生產環境中的各種氣、氣味進行準確的檢測是必要的。
隨著社會發展須要與科學技術的進步，人類對生物器官機理的研究已經日趨成熟。諸如視覺、聽覺、味覺、觸覺和嗅覺等生物感官功能的模仿己經被各國科學家廣泛研究。人類對嗅覺的研究從最早的化學分析方法發展到儀器分析方法，經歷了近百年的發展，仿生嗅覺技術的物質識別能力越來越強，識別率也逐步提高。
在氣體、氣味的化學成分定性、定量分析過程中，主要使用化學方法與儀器分析方法。化學方法利用化學物質自身的化學性質進行定性和定量分析，主要是基於人們對已有物質的化學性質上的分析。這一類型的分析通常可以進行小範圍內的物質定性和微量物質的定量。隨著化學這門學科及其分支的發展，大量新的化學物質的發現和被合成，傳統的化學分析方法已經不適合物質識別和分析。
儀器分析方法從某種意義上來說是與化學方法獨立的，它是建立在物理基礎之上，主要是建立在光波這一與物質微觀層相關的研究或物質分離基礎之上的。主要的儀器分析方法有分光光度、紅外光譜、紫外光譜、核磁共振、質譜、原子吸收光譜、氣相色譜、高壓液相色譜等等。儀器分析方法使用物質識別的根據不單單是物質的化學性質，還包括物質在物理和化學中共同表現出來的性質。由於使用了儀器分析檢測方法，所以可以使檢測靈敏度提高、檢測下限也大大下降。但此類設備結盟構複雜、操作煩瑣，經常被對象進行預處理，導致測試周期加長，而且還存在著不能連續檢測等缺點。另外，作為化學成分分析儀器，它們用於氣體分析是卓有成效的，但用於氣味質量分析卻不佳，甚至沒能為力。例如，酒的香氣質量是多種致香成分的綜合反映，完全測出這些成分不僅非常複雜，還要花費很多時間和費用，有些成分含量極低，測試非常困難。許多氣體，其組成的大多數處於氣相色譜儀等儀器的檢測範圍之外，並且氣味分子的化學性質與嗅覺效應之間的關係依然是一個“黑箱”，僅用測量出的幾種化學成分不能全面地表達被測物質的質量。
以往傳統的嗅覺感官的仿生大多只是簡單的物質氣味的測量，測量方法停留在化學分析方法和儀器分析方法，可是對於一些痕量（相對含量極為微小）物質及複雜物質的分析，特別是許多含有不同氣味的痕量物質，還只能停留在人的嗅覺直接測量，這就需要大量的時間和物力來培養專門識彆氣味的專家。目前，酒類、茶葉等食品的質量主要是靠人的感官來進行判斷，感官評定主要依賴人的生理和心理條件，其本身是一門精巧的技術。這類工作通常需要訓練有素、經驗豐富的專家來進行。但人工鑑別帶有很大的主觀因素，從某種意義上來說，由於受到經驗、情緒等主觀因素的影響，感官評定方法的評判結果隨鑑別人員的不同而存在相當大的個體差異，即使是同一人員也會隨其自身身體狀態、情緒變化等的不同而產生不同的結果。由此可見，人的感覺器官的缺點包括主觀性、重複性差、耗時長和花費人力巨大等，另外，人的感覺器官不能用於檢測有毒氣體、連續工作和遠程操作。
鑒於傳統感官評定和化學成分分析儀器的不足，人們期望有一種客觀準確的嗅覺鑑別方法來代替人工氣味鑑別和化學分析儀器，仿生嗅覺技術在這種需求下得到迅速的發展。仿生嗅覺技術屬於新興的多學科交叉技術，涉及到計算機技術、套用數學、感測器技術、陣列感測器技術的數據融合和各個具體領域的技術的融合，具有很重要的意義。
