新型电子鼻可快速检测气味，嗅觉堪比老鼠的鼻子
2025-07-05 08:58:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
新型电子鼻不仅能以与老鼠嗅觉系统相当的速度检测气味，而且还可以通过气味与电子鼻传感器相互作用时产生的特定模式来区分气味。
我们周围到处都是气味，而且通常散得很快——比如在野火等危险场景中，风力会将烟雾（连同烟味）从源头快速吹散。派人员前往灾害现场勘察是有风险的，那么，如果让一个配备电子鼻（E-nose）的机器人通过“嗅觉”来追踪危险源，会是怎样的情形呢？
据麦姆斯咨询介绍，这一想法促成了《科学进展》（Science Advances）期刊最近的一项研究工作——论文题目为“High-speed odor sensing using miniaturized electronic nose”。在这项研究中，研究人员研发的新型电子鼻不仅能以与老鼠嗅觉系统相当的速度检测气味，而且还可以通过气味与电子鼻传感器相互作用时产生的特定模式来区分气味。
老鼠能快速嗅出气味，新型电子鼻的嗅觉能力可与之媲美
英国赫特福德大学（University of Hertfordshire）教授Michael Schmuker说：“当气味被湍流气流带走时，会被分割成更小的气团。”他表示，这些气味气团的变化非常迅速，意味着一个高效的气味传感系统必须具备快速检测能力。而气味气团的变化方式以及频率，可以揭示气味来源等信息。
电子鼻的工作原理
该电子鼻采用金属氧化物半导体（MOS）气体传感器，其传感表面以每秒最高20次的频率在150°C到400°C之间反复加热与冷却。当传感表面与气味分子直接接触时，会发生氧化还原反应。
该电子鼻比信用卡小，内置多个MOS气体传感器
该电子鼻体积小于信用卡，功耗仅1.2到1.5瓦（包括微处理器及USB读数装置）。研究人员采用现成组件和定制设计的数字接口搭建了这一系统，当气味接触构成传感表面的加热电极时，可更精准地探测气味动态。Michael Schmuker说：“气味在我们周围的空气中流动，部分会与热表面发生氧化还原反应，反应方式取决于其自身化学成分。”
电子鼻和气味传递系统
化学反应会导致金属氧化物电极的电阻发生可测量的变化。不同气味分子与传感器材料的组合，会使电阻变化的幅度及动态过程有所不同。电子鼻通过两对四种不同的气体传感器，构建出电阻响应曲线模式。电阻响应曲线能反映气体传感器电阻随时间的变化对刺激（如气味）的变化情况。这些曲线捕捉到气体传感器将物理相互作用（如气味分子与其表面结合）转化为电信号的过程。由于每种气味会产生独特的响应模式，分析电信号随时间的演变可识别特定气味。
论文作者Nik Dennler说：“我们发现，以每秒约20次的频率在150°C至400°C之间快速切换温度，会产生独特的数据模式，使识别特定气味变得更容易。”通过构建气味在不同温度下的响应图谱，可将响应曲线输入机器学习（ML）算法，从而识别与特定气味相关的模式。
快速的加热器调制可产生稳定的数据特征
尽管电子鼻不像普通鼻子那样“嗅气味”，但其检测气味时的周期性加热循环，与哺乳动物的周期性嗅探动作颇为相似。
电子鼻在灾害管理中的应用
2021年，伦敦弗朗西斯-克里克研究所（Francis Crick Institute）和伦敦大学学院（University College London）的研究人员发现，老鼠每秒可以分辨40次气味波动，这与长期以来“哺乳动物需通过一次或多次嗅闻才能获取有效气味信息”的观点相悖。
在这项最新研究中，研究人员发现电子鼻的气味检测速度与老鼠相当，能够每秒识别并解码高达60次的气味波动。目前，电子鼻可以区分5种不同的气味——无论是单一气味还是两种气味的混合物。经过训练后，电子鼻还可以探测更多种类的气味。
快速切换气味的时间结构解码
Nik Dennler说：“我们发现，它能在50毫秒内准确识别气味，并且能对每秒切换多达40次的不同气味之间的模式进行解码。”相比之下，最近对人类的研究表明，区分与同一嗅觉受体结合的两种气味的阈值约为60毫秒。
电子鼻可以根据50毫秒的数据特征对短气味脉冲进行分类
电子鼻体积小巧且功耗适中，可以部署在机器人上，用于定位气味源头。Michael Schmuker说：“虽存在其它快速检测技术，但它们通常体积庞大，还需要大容量电池供电。我们的电子鼻可安装在小型机器人上，并在如今使用嗅探犬的场景中，对其实际应用效果进行评估。”
Nik Dennler说：“无论是驾车、行走还是飞行，都需要极快的速度感知能力。借助我们的电子鼻，能高速捕捉气味信息。主要的潜在应用包括气味引导导航任务，或更广泛地说，在移动过程中收集气味信息。”
研究人员正在考虑将这些搭载电子鼻的小型机器人应用于灾害管理，包括定位野火、气体泄漏点，以及在地震后寻找埋于瓦砾中的人员等。
论文信息：DOI: 10.1126/sciadv.adp1764
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