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電子感覺(jué)傳感器技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)
2014-11-14
眾所周知，電子技術(shù)剛一出現(xiàn)，就被用于制造照相機(jī)和擴(kuò)音器，從而擴(kuò)大了人的視覺(jué)和聽覺(jué)功能。而另外三種感覺(jué)，嗅覺(jué)、味覺(jué)和觸覺(jué)卻大大落后了。然而今天的情況已不再是這樣了。實(shí)現(xiàn)嗅覺(jué)、味覺(jué)和觸覺(jué)功能的電子系統(tǒng)正在迅速發(fā)展。同時(shí)，新技術(shù)的出現(xiàn)，特別是生物芯片的出現(xiàn)，有希望大大延伸這三種感官的能力。
一、嗅覺(jué)系統(tǒng)
電子感覺(jué)傳感器中開發(fā)應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬電子鼻，其中英國(guó)以其雄厚的人才資源和研究基礎(chǔ)處于世界領(lǐng)先地位，英國(guó)的蘇格蘭高地科學(xué)研究集團(tuán)的高級(jí)研究員喬治×多德被公認(rèn)為電子嗅覺(jué)系統(tǒng)的先驅(qū)，他于1980年在沃威克大學(xué)首先研制出這種系統(tǒng)。
電子鼻是由傳感器陣列構(gòu)成的。陣列中的每個(gè)傳感器覆蓋著不同的具有選擇性吸附化學(xué)物質(zhì)能力的導(dǎo)電聚合物。吸附作用將改變材料的電導(dǎo)率，從而產(chǎn)生一個(gè)能測(cè)量的電信號(hào)。陣列中所有不同傳感器產(chǎn)生的信號(hào)模式代表了特定的氣味圖譜，通過(guò)與已知?dú)馕稊?shù)據(jù)庫(kù)相比較可識(shí)別出各種氣味來(lái)。
大多數(shù)嗅覺(jué)系統(tǒng)都使用類似的原理。英國(guó)有幾家公司正在開發(fā)或銷售這種系統(tǒng)，例如，Osmetech公司把這種系統(tǒng)用到英國(guó)新千年標(biāo)志建筑物中，能檢測(cè)與便池傳染有關(guān)的六種細(xì)菌。
英國(guó)的Neotronics公司在若干年前即研制了一種電子鼻產(chǎn)品—eNose5000，現(xiàn)在又推出一種在線實(shí)時(shí)系統(tǒng)—ProSAT，這種系統(tǒng)標(biāo)志著電子鼻已經(jīng)走出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)入了實(shí)際工作環(huán)境。ProSAT能適應(yīng)各種不同的傳感器技術(shù)，從導(dǎo)電聚合物到金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)以及體聲波和表面聲波器件等，主要應(yīng)用于食品加工發(fā)酵和釀造業(yè)，以及在線水監(jiān)測(cè)，醫(yī)學(xué)系統(tǒng)和火檢測(cè)等。 英國(guó)諾丁漢大學(xué)食品科學(xué)系另僻蹊徑，研制了一種基于質(zhì)譜原理的新的電子嗅覺(jué)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)能分析人吃東西時(shí)鼻子中嗅到的香味，用于解決如何生產(chǎn)出不同種類的好食品，例如，生產(chǎn)具有更佳香味的低熱能食品，該系統(tǒng)目前已有銷售。
另一種最近開發(fā)的電子鼻是由美國(guó)加里福尼亞工學(xué)院研制的Cyranose230，這是一種手持式的由32個(gè)傳感器組成的單元。經(jīng)過(guò)“培訓(xùn)”，它能嗅出特定種類的稻米，不但能說(shuō)出其種類，而且可指出其產(chǎn)地。
二、味覺(jué)系統(tǒng)
與氣味最密切相關(guān)的感覺(jué)是味覺(jué)。一些國(guó)外的研究人員正努力開發(fā)電子舌，它能品嘗出不同種類的溶液。
美國(guó)德克薩斯大學(xué)的一項(xiàng)研究成果已經(jīng)開始轉(zhuǎn)入商品化生產(chǎn)診斷儀器階段。這種電子舌是由微加工工藝制成的網(wǎng)狀硅片組成，里面還有一些小顆粒。與小顆粒相接觸的是化學(xué)傳感器，它通過(guò)改變顏色對(duì)刺激源產(chǎn)生響應(yīng)。所以硅片被放在光源和成像傳感器之間。第一臺(tái)樣機(jī)是為檢測(cè)酸性和粘度而設(shè)計(jì)的。由于每個(gè)傳感器能響應(yīng)不同的物質(zhì)，從而產(chǎn)生獨(dú)特的紅、綠、藍(lán)色的組合。它能同時(shí)分析若干種化學(xué)成分。
正是這種傳感器的通用性使它適用于測(cè)量和分析含有各種生物和非生物化學(xué)成分的溶液，包括毒素、藥品、代謝物、細(xì)菌和血液產(chǎn)品等等。
俄羅斯圣彼得堡大學(xué)研制的電子舌能鑒別不同類型的軟飲料和酒，區(qū)分各種咖啡和分析血漿成份。處理電子舌產(chǎn)生的數(shù)據(jù)如同獲得化學(xué)結(jié)果一樣重要。
由于電子舌矩陣中傳感器數(shù)量多達(dá)40個(gè)，在多組分環(huán)境中每個(gè)傳感器都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)雜的響應(yīng)，因此必須進(jìn)行多維數(shù)據(jù)處理和利用不同模式識(shí)別法實(shí)現(xiàn)，例如，仿真神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，或多變量校正系統(tǒng)等。每種數(shù)據(jù)處理方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)和局限性，因此必須認(rèn)真加以考慮才能得到可靠的食品和分析結(jié)果。
電子檢測(cè)的基本目的是評(píng)價(jià)物質(zhì)，最好是實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，就象我們聞味和吃東西時(shí)那樣。這類系統(tǒng)的潛在應(yīng)用決不僅限于食品衛(wèi)生那樣明顯的領(lǐng)域，還可用于醫(yī)學(xué)、生物技術(shù)和許多其它工業(yè)部門，例如， Purdue大學(xué)開發(fā)的一種新型生物芯片，通過(guò)電子電路與生物材料相結(jié)合，具有極廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。僅在幾個(gè)月前宣布的這種新型生物芯片，有可能改變以往許多檢測(cè)和診斷方法。正是基于這種蛋白質(zhì)匹配技術(shù)及其首次非實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，將開發(fā)出一類能檢測(cè)曾經(jīng)在1999年奪走500人生命并導(dǎo)致數(shù)千人患嚴(yán)重疾病的利斯特氏病原菌。
這種芯片能在許多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)快速診斷，能實(shí)時(shí)測(cè)試食品中毒。它與當(dāng)今需要對(duì)食品進(jìn)行人工培育樣品的方法完全不同。其它應(yīng)用還有，發(fā)現(xiàn)空氣中的生化武器釋放物、診斷通常的疾病、檢測(cè)作物疾病和發(fā)現(xiàn)民間藥品中的有益生物化學(xué)成份。
一種蛋白質(zhì)就象一把鎖，只有一把鑰匙能打開它。而通過(guò)靜電吸引的方法可以把一種蛋白質(zhì)固定到生物芯片上。在生物芯片內(nèi)部，硅基底被刻蝕出通道，保證化學(xué)物質(zhì)能從輸入端到達(dá)涂有蛋白質(zhì)試劑的薄電極。當(dāng)所需要的鑰匙分子接觸到蛋白質(zhì)試劑時(shí)，則電極阻抗下降，通過(guò)計(jì)算機(jī)可讀出被觸發(fā)的蛋白質(zhì)試劑。這種芯片包含由通道連接的一系列孔，它是由帶氧化表面的硅晶片經(jīng)光刻工藝制成的，之后再用玻璃密封起來(lái)。含有被測(cè)樣品的液體通過(guò)與芯片連接的管路泵入通道中，通過(guò)它可以觀察熒光示蹤分子。
三、觸覺(jué)系統(tǒng)
觸覺(jué)也正被人工仿真。美國(guó)伊利諾斯大學(xué)的研究人員正在研制一種象頭發(fā)一樣的觸覺(jué)傳感器。眾所周知，許多動(dòng)物和昆蟲都能用其毛發(fā)辨別許多不同事物，包括方向、平衡、速度、聲音和壓力等。這種人造毛發(fā)是利用撓性很好的玻璃和多晶硅制造的，通過(guò)光刻工藝由硅基底刻蝕出來(lái)的。
這種人造毛發(fā)的大型陣列可用于空間探測(cè)器上，其探測(cè)周圍環(huán)境的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今已有的任何系統(tǒng)，美國(guó)宇航局目前正積極參與這項(xiàng)研究。
這種傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大。為避開這一問(wèn)題，研究人員首先研究和模仿了我們自身觸覺(jué)系統(tǒng)的工作。他們知道每個(gè)手指大約有200根神經(jīng)，而且還有錯(cuò)綜復(fù)雜的表皮紋理，所以它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量之多連大腦都難以處理。但是由于皮膚的彈性就象一個(gè)低通濾波器，它能濾掉一些細(xì)枝末節(jié)，所以才使大腦的這項(xiàng)處理簡(jiǎn)化可行。他們正借鑒這一事實(shí)解決人造毛發(fā)數(shù)據(jù)量過(guò)大的問(wèn)題。
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