新兴的嗅觉传感器，能为我们带来哪些好处？

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作者：David Pike，贸泽电子专稿

发布日期：2023 年 7 月 25 日

传感器在现代技术中占据着至关重要的地位，可为机器提供正常运行所需的信息。此新一代技术构成了物联网 (IoT) 的一部分，在物联网中，机器会收集有关自身及环境的数据，并共享这些数据以创建自主设备网络。物联网依赖于这种共享信息和反馈，传感器的重要性也就日益凸显出来。

长期以来，设计师们一直致力于为机器提供等同于人类感官的功能。人脑可以很好的理解感觉器官所收集到的信息。然而，人工智能传感器往往需要更复杂的功能。如果没有现在的处理能力，早期的传感器就无法解读它们收集到的信息。

包括光传感器和接近传感器在内的许多此类设备都受到了进一步的限制，因为它们依赖于清晰的视线，或者在某些情况下，还要依赖于物理接触才能正常工作。随着当今技术水平的不断提高，特别是最近在实用人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 方面取得的进展，设计人员将无法只依赖简单的传感技术。

为机器赋予嗅觉感官

嗅觉是对空气中悬浮的低浓度分子进行化学分析的一种形式。当这些分子遇到鼻子中的受体时，受体就会向大脑中负责嗅觉识别的部分传递信号。嗅觉的灵敏度取决于受体的浓度，而受体的浓度因物种而异。例如，狗的鼻子比人类的灵敏很多，狗可以识别出人类无法察觉的化学物质浓度。然而，嗅探犬在工业环境中的价值也是有限的。

作为一种检测方法，嗅觉传感器具有多功能和独特的优势。与图像识别和其他基于视觉的技术不同，气味不依赖于视线，因此气味无需侵入性程序即可从遮蔽物中检测出来。

实际生活中的运用

嗅觉与传统的化学分析技术（例如使用物理棉签检测麻醉品或其他物质）密切相关。使用这种方法时，需要使用无菌装置采集样本，然后将样本送至分析机器。这种方法不仅耗时，还要求操作人员能够接触到正在取样的物体。对于旅客或货物能自由流动的机场应用，这一过程会给经常出差的旅客造成一些困扰。因此，需要安检人员进行抽查。

嗅觉不需要身体接触。因此，嗅觉传感器可以不引人注意地部署在安检区周围，收集有关乘客或行李的信息。这些传感器具有一个包含所有需要关注的化学特征的数据库，以及实时分析大量样本的处理能力，因此安检人员可以只拦截那些检测到有化学物质痕迹的旅客，让其他旅客轻松通过。

许多其他应用都可以利用这种无需物理接触的特点。例如，有些小型传感器可以安装在无人驾驶飞行器 (UAV) 上。UAV的机载传感器能够探测出人类无法感觉到的超低浓度化学物质，因此可以对UAV进行编程，使其能够穿越广阔的区域，搜索特定的气味，并利用新的5G或卫星通信进行实时报告。从野火的早期探测到农业入侵物种的识别，这项技术的实用性还受限于其化学特征数据库和传感器的灵敏度。

嗅觉传感器还可以与热成像等其他非接触式技术搭配形成一整套传感器。在无人机上使用这样的组合，可以让相关部门对遭受自然灾害的地区快速启动应急响应服务。利用这种技术组合，救援人员可以快速找到幸存者，避免错过最佳救援时机。

工业及医疗环境中的运用

工业领域也在采用嗅觉传感器。许多工业流程都有可能会产生有害的副产物。嗅觉传感器可以监测空气状况，突出显示有害化学物质的危险积聚，并且还能提供有关工业流程本身的有用信息。例如，检测到大气中含有高浓度的未燃烧燃料，说明某项功能的能源利用率低而导致燃烧不完全。嗅觉传感器与新一代人工智能技术相结合，可以在没有人工干预的情况下提供问题预警以及建议的补救措施。

这种应用甚至可以延伸到监测机器本身的运行状况。例如，机械损坏产生的高温会导致润滑脂中的润滑油流失，留下干燥、结壳的皂基，从而导致卡死。通过检测润滑油化学成分变化所产生的气味，可以在故障发生前发现问题，从而安排预防性维护。

嗅觉传感器另一个备受关注的应用便是医疗保健领域。随着医疗技术的不断进步，尽管治疗技术有所改进，但早期诊断仍是确保患者获得最佳临床疗效的最有力工具。

从癌症到糖尿病，许多疾病都会对人体的化学成分产生影响，有些狗甚至能在身体出现症状之前就嗅到这些变化。同样，使用传感器检测气味的变化可以提供关键的早期诊断，从而大大提高有效治疗和康复的机会。这些传感器的非接触、非侵入性特点进一步提高了其实用性。它们可以在初诊期间使用，而不会像传统的血液或组织分析技术那样造成治疗延误。

技术与工艺

有机嗅觉受体（如人鼻中的嗅觉受体）是如何检测和识别气味的，目前尚不完全清楚。尽管如此，我们确实知道鼻子中的嗅觉感受器神经细胞都具备识别一种特定分子的功能，开发人员正在尝试通过各种方法来复制这种功能。

这些传感器识别特定分子的具体过程因技术而异。有些技术使用有机半导体，因其电气特性在接触特定分子时会发生可预测的变化。此外，还可以采用质谱法，即将样品置于电子流中，电子将样品电离成带正电荷的碎片，然后根据其质量电荷比进行分离。由于每种元素在这些条件下的表现各不相同，我们可以根据显示的光谱特征，识别其中存在的各个分子。

另外，还有些系统使用超快气相色谱法进行检测，即将样品溶解在流体溶剂中，其组成成分会以不同的速度分离，形成显示样品成分的光谱。

先进的计算技术将有助于实现快速分析以实时提供所需的结果。英特尔^®等公司正在努力探索模仿人脑的神经结构和运作方式，以创造能够应对普通人类活动的情况和抽象化的技术。英特尔Loihi 2芯片组采用了一种称为神经形态计算的技术，芯片的结构与人脑的结构如出一辙。这种复杂性有望让人工智能能够灵活处理传感器所收集的大量信息。

Koniku公司是一家生物技术公司，它研制了一种采用合成生物学与硅技术相结合的方法，生产出能够绘制常见挥发性有机化合物地图的设备。Koniku将这种技术称为“嗅觉机器人”，能够自主、智能地解读空气。通过对生物神经元中的蛋白质进行工程设计，使蛋白质与粒子之间产生精确的相互作用，生物细胞就能发挥传感器、放大器和生物信号处理器的作用。希望这项技术能够作为自主单元部署，以提供一系列应用所需的功能。

无论使用哪种方法，任何气味传感器的关键要求都是能够准确检测到一系列分子，如复杂有机化合物中的分子。然后，对这些分子的组合进行分析和比较，以确定具体的气味并得出结论。

结论

我们越来越依赖机器来帮助我们做出复杂的决策。我们必须为这些机器配备所需的技术，以收集做出这些决策所需的信息。因此，传感器在众多应用中发挥着越来越重要的作用。

除了传统的视觉传感器外，工程师们还在使用嗅觉传感器等替代方法。与先进的处理能力相结合，嗅觉传感器具有一系列优于其他技术的优势。它们既不需要物理视线，也不需要物理接触。

嗅觉传感器与其他技术相结合，为机器系统提供所需的反馈，帮助我们改善生活。

作者简介

David Pike因其对互连行业的热情和极客精神而闻名遐迩，他的网名是Connector Geek。