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3月28日，香港科技大学报道了其工程学院的研究成果，即使用各种高性能气体传感器阵列创建人工嗅觉传感器
香港科技大学（科大）工学院的研究团队，致力于利用各种高性能气体传感器阵列制造人工嗅觉传感器，以应对长期存在的挑战。他们新开发的仿生嗅觉芯片（BOC）能够将纳米管传感器阵列集成在纳米多孔基板上，每个芯片可单独识别多达10,000个可寻址的气体传感器，这种配置类似于嗅觉对人类和其他动物的工作方式。
数十年来，全球的科研人员均致力开发人工嗅觉和电子鼻，旨在模仿生物嗅觉系统的精巧机制，以有效识别复杂的气味混合物。然而，这些技术的发展面临著重大挑战，包括如何缩小系统和提高其识别能力，来确定复杂气味混合物中的确切气体种类以及其浓度。
然而，其开发的主要挑战在于难以使系统小型化并提高其识别能力，以确定复杂气味混合物中的确切气体种类及其浓度。
a， 气味/气体分子的图示。b，由嗅觉上皮和嗅球组成的人类嗅觉系统示意图。c， 嗅觉皮层的结构。d， 识别结果图示。e， 不同哺乳动物完整嗅觉受体中表达的基因数量汇总：猕猴、人、狗和大鼠。f， 具有相关电路的单片BOC的结构。g， 单片BOC中不同气味/气体分子的响应模式以及识别响应模式的算法设计。
为了解决这些问题，由香港科技大学电子与计算机工程学系和化学与生物工程学系讲座教授范智勇教授领导的研究团队使用了一种工程材料成分梯度，能够在一个小型纳米结构芯片上安装各种不同的传感器。
利用人工智能的力量，他们的仿生嗅觉芯片对各种气体表现出非凡的灵敏度，对混合气体和 24 种不同的气味具有出色的区分能力。
a， 单片BOC示意图。b， 俯视图。c， BOC中单个像素的光学图像。d， 俯视图的SEM图像。e， BOC横截面的SEM图像。不同的颜色表示不同的成分（底部区域）。f， 使用 ToF-SIMS 深度剖面轨迹可视化的 MCI 层中元素的空间分布。g， MCI层的XRD图谱。h、PdO/SnO 单通道的 TEM 和 EDS 映射2/PAM. i， 传感材料层的XRD图谱（PdO/SnO2).j，k， 传感材料层Sn 3d（j）和Pd 3d（k）的高分辨率XPS谱图（PdO/SnO2).cps，每秒计数。
为了扩大嗅觉芯片的应用，该团队还将芯片与机器狗上的视觉传感器集成在一起，创建了一个结合了嗅觉和视觉的系统，可以准确识别盲盒中的物体。
仿生嗅觉芯片的开发不仅将改善人工嗅觉和电子鼻系统在食品、环境、医疗和工业过程控制等领域的广泛应用，还将为智能系统开辟新的可能性，如先进的机器人和便携式智能设备，用于安全巡逻和救援行动。
例如，在实时监测和质量控制中的应用中，仿生嗅觉芯片可用于检测和分析与工业过程不同阶段相关的特定气味或挥发性化合物，以确保安全;在环境监测中检测任何异常或有害气体;并识别管道中的泄漏，以便及时维修。
a，由具有 100 个传感器的 BOC 选择识别的气味种类。DMF，二甲基甲酰胺。b， 对a中24种气味的归一化响应模式。c， 通过t分布随机邻域嵌入（t-SNE）和采用线性核算法的支持向量机（SVM）对24种气味进行分类。d，配置安装在四足机器人上的BOC系统，用于盲盒区分。e，通过计算机视觉识别盒子，即相机。f，系统测试结果。g， 传感器实时记录的电阻信号。
本研究中提出的技术是气味数字化领域的关键突破。
随着科学界见证了视觉信息数字化的胜利盛行，在现代和成熟的成像传感技术的推动下，由于缺乏先进的气味传感器，基于气味的信息领域仍未开发。范教授团队的工作为开发具有巨大潜力的仿生气味传感器铺平了道路。
随着进一步的发展，这些传感器可以得到广泛的应用，类似于手机和便携式电子产品中无处不在的微型摄像头，从而丰富和提高人们的生活质量。
“未来，随着合适的生物相容性材料的开发，我们希望仿生嗅觉芯片也可以放在人体上，让我们闻到平时闻不到的气味。它还可以监测我们呼吸中挥发性有机分子的异常情况，以及我们皮肤发出的异常情况，以警告我们潜在的疾病，进一步发挥仿生工程的潜力。
*本文仅分享医疗科技前沿进展，不代表平台利益。如涉及版权问题，请联系我们删除。
END
编辑 | 罗虎
来源 | 香港科技大学
审核 | 医工学人
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