机器嗅觉原理及国内外研究现状

机器嗅觉原理及国内外研究现状 骆德汉2009年11月16日 1 什么是机器嗅觉2 机器嗅觉的技术基础3 机器嗅觉的发展历程4 机器嗅觉技术的应用5 机器嗅觉的国内外研究状6 机器嗅觉的发展趋势和展望 1 什么是机器嗅觉 人的嗅觉形成过程机器嗅觉技术的概念机器嗅觉的原理 气味分子经空气扩散到达鼻腔 与嗅觉细胞表皮纤毛上的G受体结合蛋白作用 产生信号 信号在嗅觉细胞神经网络和嗅球中经一系列加工放大后通过神经网络输人大脑 1 1人的嗅觉形成过程 大脑接受输人的信号做出识别判断 而大脑的判断识别功能是由孩提时代至长大不断与外界长期接触的过程中学习 记忆 积累 总结而形成的 1 1人的嗅觉形成过程 嗅觉形成示意图 1 2机器嗅觉技术的概念 机器嗅觉是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术 机器嗅觉系统通常由 交叉敏感的化学传感器阵列和适当的计算机模式识别算法组成 可用于检测 分析和鉴别各种气味 人工嗅觉系统的构成 1 3机器嗅觉系统的原理 气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附 产生电信号 生成的信号经各种方法加工处理与传输将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断 1 3机器嗅觉系统的原理 机器嗅觉与人体嗅觉原理对照图 1 3机器嗅觉系统的原理 2 机器嗅觉的技术基础 气体传感器及其阵列信息预处理方法模式识别技术 阵列中的气体传感器各自对特定气体具有相对较高的敏感性 由一些不同敏感对象的传感器构成的阵列可以测得被测样品挥发性成分的整体信息 与人的鼻子一样 闻到的是样品的总体气味 常用的传感器按材料分为 金属氧化物型半导体传感器 导电聚合物传感器 质量传感器 光纤气体传感器 2 1气体传感器及其阵列 半导体气体传感器 红外气体传感器 电化学气体传感器 接触燃烧气体传感器 几种常见气体传感器 2 1气体传感器及其阵列 金属氧化物型半导体传感器 如SnO2 ZnO WO3等 当其吸附某种气体时导致该氧化物的电阻下降产生信号 导电聚合物传感器 如吡咯 苯胺 噻吩 吲哚等碱性有机物的聚合物及衍生物 当他们与带气味的物质反应后通常引起电阻增加产生信号 2 1气体传感器及其阵列 质量传感器 如石英晶体微衡传感器 QCM 声表面波传感器 sAw 它们吸附了气味分子会引起石英振动频率的改变 从而产生信号 光纤气体传感器 此类传感器利用光纤所特有的传感信号无电磁干扰 噪声低 电绝缘 化学稳定性好及热稳定性好等优点 2 1气体传感器及其阵列 信号预处理的方法应根据实际使用的传感器类型 模式识别方法和识别任务选取 通常认为嗅觉模拟系统中某一传感器i对气味j的响应为一时变信号Vij t 2 2信号预处理方法 由n个传感器组成的阵列对气味j的响应是n维状态空间的一个矢量Vj 可写为 Vj V1j V2j Vnj 左图为PEN2电子鼻的10个传感器对巧克力香精的响应曲线 本图来自骆德汉教授的研究资料 2 2信号预处理方法 气味传感器阵列对气味j的响应灵敏度部分地取决于传感器的质量 此外 测试环境和信号处理方式也有十分重要的作用 不仅各种稳态的模型已被用于处理气体或气味的测量信号 如下表所示 而且传感器信号中的瞬态信息也可以帮助区分传感器的漂移和样本检测 同时也可以利用动态响应来矫正传感器阵列 2 2信号预处理方法 部分传感器信号预处理算法 2 2信号预处理方法 总之 传感器测量信号预处理可以实现以下主要功能 滤除模式采样过程中引入的噪声和干扰 提高信噪比 消除信号的模糊和失真认为地增强有用信号 为后续处理的方便 可对信号进行适当的变换 2 2信号预处理方法 模式识别是伴随着计算机的研究 应用发展起来的一门新兴学科 在计算机理论 信号与信息处理 自动控制理论等方面得到了广泛的应用 近年来被用于仿生鼻中 已引起普遍的重视 被识别对象 模式采集 预处理 特征提取 模式分类 模式识别的过程 2 3模式识别技术 在机器嗅觉中 模式识别技术是对预处理之后的信号再进行适当的处理 获得气体组成成分和浓度的信息 机器嗅觉中模式识别的过程分为两个阶段 监督学习阶段 在该阶段运用被测样品来训练机器嗅觉系统 使其自我学习 应用阶段 经过训练的机器嗅觉系统对被测气体进行识别 2 3模式识别技术 机器嗅觉中的模式识别过程 为右上角绿框 2 3模式识别技术 机器嗅觉中常用的模式识别方法是统计模式识别的方法和人工智能的方法 前者常用的有 主成分分析法 PCA 聚类分析法 AC 偏最小二乘法 PLS 其中这些方法都属于线性判别法 LDA 除了LDA外 也有非线性方法 例如基于核的非线性方法 2 3模式识别技术 机器嗅觉中应用线性判别法 LDA 进行模式识别 2 3模式识别技术 人工智能的常用方法是人工神经网络方法 ANN 它主要有以下网络模型 BP网络 back propagation network LV网络 learningvectorquantisationnetwork RBF网络 radialbasisfunctionnetwork 自组织特征映射网络 Kohonennetwork 2 3模式识别技术 2 3模式识别技术 由于人工神经网络技术能处理非线性数据 容忍传感器的漂移和噪音以及预报误差比化学计量学技术低 故很有吸引力 此外 人工神经网络 如三层反向传播网络 在一定程度上模仿生物嗅觉系统 人工神经网络的一典型模型 生理神经网络模型 3 机器嗅觉技术的发展历程 机器嗅觉的发展史商业化机器嗅觉产品 电子鼻 developed 3 1机器嗅觉的发展史 20世纪中叶 各种化学传感器基本理论和实际应用研究均取得了长足进展 1962年在瑞典的斯得哥尔摩召开了国际上最早的嗅觉学术交流会 80年代初期 在科技文献中出现了技术术语 电子鼻 机器嗅觉系统的俗称 1997年在美国的圣地亚哥召开了最大规模的一次会议 主题是鼓励在嗅觉化学感觉方面的基础和应用方面的研究 目前 从事电子鼻开发研究的机构欧洲有17家 美国和加拿大有9家 世界上电子鼻商业产品的供应商已达到18家代表性电子鼻产品有 法国Alpha MOS的桌面型FOX系列的电子鼻 美国加利福尼亚Cyranosciences公司的Cyranose系列便携式电子鼻 德国AIRSENSE公司的PEN PortableElectronicnose 系列电子鼻等 3 2商业化机器嗅觉产品 电子鼻 欧美国家开发的电子鼻产品 3 2商业化机器嗅觉产品 电子鼻 3 2商业化机器嗅觉产品 电子鼻 PEN3电子鼻系统 德 3 2商业化机器嗅觉产品 电子鼻 食品工业中的应用医药卫生中的应用消费电子中的应用环境监测中的应用航天航空中的应用 4 机器嗅觉技术的应用 4 机器嗅觉技术的应用 电子鼻作为一种分析 识别和检测复杂嗅味和挥发性成分的仪器 具有检测速度快 操作简单 灵敏度高 重现性好等优点 使使得其在食品 工业 环境监测 医疗卫生 药品工业 安全保障 公安与军事等领域得到广泛的应用 本报告仅举部分应用例子 应用于肉品新鲜度检测 生产线上连续检测 判断发酵肉制品成熟度以及乳制品的腐败成度等方面 水果蔬菜通过呼吸作用进行新陈代谢而变熟 在不同的成熟阶段 其散发的气味不同 可以用电子鼻闻其气味来评价其品质 4 1机器嗅觉在食品工业中的应用 根据酒类挥发的气味用电子鼻对其进行鉴别 进而对其分类与分级 在品牌的鉴定 异味检测 新产品的研发 原料检验 蒸馏酒品质鉴定 制酒过程管理的监控方面有广泛的应用前景 4 1机器嗅觉在食品工业中的应用 在烟草行业中 卷烟品质的评定主要通过专家的感官来进行 这类工作通常由训练有素 经验丰富的专家进行 但是培养一名专职评烟师投入费用大 周期长 因此 机器嗅觉技术越来越广泛应用于烟草检验与识别 4 1机器嗅觉在食品工业中的应用 4 2机器嗅觉在医药卫生中的应用 现今对识别糖尿病或癌症病人呼出的气味和病人伤口感染程度的机器嗅觉系统研究已进入到实用阶段 应用传感器技术开发的快速诊断的机器嗅觉装置 成本较低 操作简易 可随时掌握患者病情 因此具有很好的市场前景 4 3机器嗅觉在消费电子中的应用 右图这款概念手机是利用电子鼻 eNose 的技术通过监控使用者每天的饮食和运动状况来提高使用者的健康意识通过该技术 它可以根据不同的化学标识 闻 出特定的食物 当 汇集了足够的数据之后 它还会提醒使用者遗漏了哪些必须的营养物质 从而帮助使用者均衡营养 养成良好的饮食习惯 4 4机器嗅觉在环境监测中的应用 目前 电子鼻能 嗅 出的气体不下40种 它最广泛应用于易燃 易爆 有毒气体自动检测和报警 CO检测仪 H2检测仪 防燃气泄露报警器 4 5机器嗅觉在航天航空的应用 美国为国际空间站送去了一个 电子鼻 可以 嗅 出空间站 内空气中的危险物质 保护宇航员的健康和安全 电子鼻 今后还将应用于重返月球等其他载人空间探索项目中 5 机器嗅觉的国内外研究现状 国内外研究现状概况 骆德汉教授人工嗅觉研究团队的研究现状 机器嗅觉技术作为一种新兴的交叉学科技术 现已成为国内外研究的热点 总的来说 无论从资金的投入和从事该领域的人员来看 发达国家远比国内领先 不过 我国在这方面的研究正 在快速进行 相信在不久的将来可以赶上发达国家的研究水平 5 1国内外研究现状概况 下面列举一些国内外的最新研究成果 华中科技大学成功研制出灵敏纳米电子鼻 台湾 工研院 研制的能检测出无尿毒症及肝功能疾病的电子鼻 5 1国内外研究现状概况 桑迪亚实验室研制出能闻出爆炸物的微型鼻子 美国加利福尼亚大学研制的能够自动鉴定气体成份的电子鼻 5 1国内外研究现状概况 Anelectronicnosethatcansniffoutsomeknownpoisonousgasesandtoxinsandshowtheresultssimplybychangingcolors ByNationalInstituteofEnvironmentalHealthSciences 5 1国内外研究现状概况 骆德汉教授于2001年开始机器仿生嗅觉 味觉传感技术与应用的研究 经过多年的努力 在该领域已取得颇多的成就 目前拥有德国PEN3电子鼻系统和由6个硕士研究生组成的人工嗅觉研究团队 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 现已完成现目 安徽省自然科学基金 纳米生物电子传感理论与技术的研究 项目 广东省自然科学基金 自然态计算机嗅觉 味觉信息获取与关联方法的研究 项目研究在研项目 国家自然资金 基于仿生嗅觉的辛味中药材气味指纹图谱研究 项目 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 现已获得专利 基于导电聚合物的仿生嗅觉传感材料及其制备方法 专利号200610037065 9 一种嵌入式仿生嗅觉气味识别方法及装置 专利号200710032996 4 基于仿生嗅觉的中药材气味鉴别方法及其装置 专利号200710032997 9 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 目前 我们的研究团队正在从事电子鼻在食品 中成药 卷烟的应用研究 以下展示部分研究资料 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 用电子鼻区分三种不同的香精 牛奶 巧克力 水蜜桃 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 用电子鼻区分不同生产日期的 罗浮山 牌百草油 5 2骆德汉人工嗅觉团队的研究现状 用电子鼻区分不同生产地点的薄荷中草药 6 机器嗅觉的发展趋势和展望 机器嗅觉的发展趋势机器嗅觉的发展展望 美国人理查德 阿克塞尔和琳达 巴克因为他们在嗅觉领域内所做出的杰出贡献而获得了2004年度的诺贝尔医学奖 他们的在嗅觉领域的杰出贡献必定给人工嗅觉技术提供新的理论基础 6 1机器嗅觉的发展趋势 RichardAxel LindaBuck 随着传感器技术的进展和人对嗅觉过程的深入了解 机器嗅觉系统的功能必将日益增强 愈来愈多地取代生产和生活过程中人鼻的作用 取得愈来愈广泛的应用 6 1机器嗅觉的发展趋势 机器嗅觉系统的体积也将越做越小 成本 也大幅度降低从 台式 到 便携式 到现在 手持式 电子鼻的出现 价格也已经从最初的十多万美元到现在的不到一万美元 估计不久的将来电子鼻会像计算机一样 普通家庭都能买得起 6 1机器嗅觉的发展趋势 嗅觉神经芯片的仿生设计的展望利用电子鼻和细胞传感技术 科学家们试图在电子芯片的器件表面培养嗅觉感受神经元 通过气体分子同神经元细胞膜表面 6 2机器嗅觉的发展展望 嗅觉受合体产生的动作电位记录 达到气体检测的一种更具仿生意义的电子鼻芯片 属于神经芯片的一种 嗅觉功能损伤修复技术的展望 6 2机器嗅觉的发展展望 嗅觉修复技术将