新的“電子鼻”每秒采樣 60 次氣味

氣味無處不在，而且通常會迅速散去——例如，在野火等危險情況下，風(fēng)況會迅速將任何煙霧（和煙味）帶離其來源。派人去檢查災(zāi)區(qū)總是有風(fēng)險的，那么如果配備電子鼻或電子鼻的機器人可以通過“聞到”來追蹤危險呢？
這個概念激發(fā)了 Science Advances 最近的一項研究，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系統(tǒng)相同的速度檢測氣味，還可以通過它們在與電子鼻傳感器交互時隨時間產(chǎn)生的特定模式來區(qū)分氣味。
“當(dāng)加臭劑被湍流氣流帶走時，它們會被切成更小的包，”英國赫特福德大學(xué)教授邁克爾·施穆克 （Michael Schmuker） 說。Schmuker 說，這些氣味包會迅速變化，這意味著需要快速檢測有效的氣味感應(yīng)系統(tǒng)來檢測它們。氣味包的變化方式以及變化的頻率可以提供有關(guān)氣味來源有多遠的線索。

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 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，傳感表面會發(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)計的數(shù)字接口，以便在遇到構(gòu)成傳感表面的加熱電極時更精確地探測氣味動態(tài)?！皻馕秳┰诳諝庵辛魈剩渲幸恍c熱表面發(fā)生反應(yīng)，”Schmuker 說?！八鼈?nèi)绾闻c它反應(yīng)取決于它們自己的化學(xué)成分——它們可能會氧化或還原表面——但會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)?！?br/>
因此，金屬氧化物電極的電阻會發(fā)生變化，這是可以測量的。這種變化的數(shù)量和動態(tài)對于加臭劑和傳感器材料的不同組合是不同的。電子鼻使用兩對四個不同的傳感器來構(gòu)建電阻響應(yīng)曲線模式。電阻響應(yīng)曲線說明了傳感器的電阻如何隨時間變化以響應(yīng)刺激（如氣味）。這些曲線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)換為電信號的過程。由于每種氣味都會產(chǎn)生不同的響應(yīng)模式，因此分析電信號如何隨時間演變有助于識別特定的氣味。
“我們發(fā)現(xiàn)，以每秒約 20 次的速度在 150°C 和 400°C 之間快速來回切換溫度會產(chǎn)生獨特的數(shù)據(jù)模式，從而更容易識別特定氣味，”赫特福德大學(xué)和西悉尼大學(xué)的雙博士生 Nik Dennler 說。通過構(gòu)建加臭劑在這些不同溫度下的反應(yīng)圖，可以將響應(yīng)曲線插入機器學(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”，但用于檢測氣味的周期性加熱循環(huán)讓人想起哺乳動物進行的周期性嗅探。

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 年的一項發(fā)現(xiàn)表明，小鼠每秒可以區(qū)分高達 40 次的氣味波動——這與長期以來認為哺乳動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。
在這項新工作中（部分由 2021 年發(fā)現(xiàn)背后的同一位研究人員進行），研究人員發(fā)現(xiàn)電子鼻可以像老鼠一樣快地檢測到氣味，能夠每秒分辨和解碼高達 60 次的氣味波動。電子鼻目前可以區(qū)分 5 種不同的氣味，無論是單獨呈現(xiàn)還是混合兩種氣味。如果經(jīng)過訓(xùn)練，電子鼻可以檢測到額外的氣味。
“我們發(fā)現(xiàn)它可以在短短 50 毫秒內(nèi)準(zhǔn)確識別氣味，并解碼氣味切換之間的模式，每秒高達 40 次，”Dennler 說。相比之下，最近的人類研究表明，區(qū)分與相同嗅覺受體結(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源的機器人中?！斑€有其他快速技術(shù)，但通常非常笨重，你需要一個大電池來為它們供電，”Schmuker 說?！拔覀兛梢詫⑽覀兊脑O(shè)備放在一個小型機器人上，并評估它在你今天使用嗅探犬的應(yīng)用中的應(yīng)用?！?br/>“一旦你開車、走路或四處飛行，你就需要非?？焖俚馗兄盌ennler 說。“使用我們的電子鼻，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，在移動中收集氣味信息。
研究人員正在考慮將這些小型電子鼻機器人用于災(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。