人類對于嗅覺的研究也從最早的化學(xué)分析方法逐漸發(fā)展成儀器分析方法，尤其是采用了仿生技術(shù)的機(jī)器嗅覺時代的到來，對氣體的識別能力越來越強(qiáng)，識別率也逐漸得到穩(wěn)步提升。

作者 ｜ 方文

萬分靈敏的“電子鼻”

很大一部分模擬電子產(chǎn)品都與現(xiàn)實(shí)世界的傳感器及訊號處理密切相關(guān)。在所有的感官功能中，氣味識別是AI最不擅長的一個，但如果從突破這個關(guān)鍵點(diǎn)，將可以為設(shè)計更高效、穩(wěn)定的機(jī)器智能提供重要靈感。

仿生嗅覺系統(tǒng)可以分辨和識別成千上萬種不同的氣味分子，具有很好的靈敏度和特異性。

隨著嗅覺機(jī)理研究的不斷深入以及現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人類對于嗅覺的研究也從最早的化學(xué)分析方法逐漸發(fā)展成儀器分析方法，尤其是采用了仿生技術(shù)的機(jī)器嗅覺時代的到來，對氣體的識別能力越來越強(qiáng)，識別率也逐漸得到穩(wěn)步提升。

新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的研究人員通過模仿哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)，發(fā)明了人工“電子鼻”，可準(zhǔn)確評估肉類的新鮮度。

目前，測定肉類采用的是揮發(fā)性鹽基氮法。在肉類長時間放置過程中，由于酶和細(xì)菌的作用，蛋白質(zhì)、脂肪和糖類被分解、變質(zhì)，一系列堿性含氮的有毒物質(zhì)如酪胺、組胺、尸胺等胺類被釋放出來。

通過檢測這類物質(zhì)的量，進(jìn)而反推肉類的新鮮度。該方法主要的弊端在于，需要特定的儀器進(jìn)行檢測，其使用不便，檢測復(fù)雜。這意味著只能由政府相關(guān)部門、相關(guān)人員，使用儀器在特定的環(huán)境和場合進(jìn)行檢測，效率低、可使用場景少，還存在測不準(zhǔn)的問題。

氣相色譜法或液相色譜法是目前用來判定未知?dú)馕痘蛭兜雷畛晒Φ姆椒ǎV法肯定比鼻子靈敏很多，而且可以分辨出更多的成分。

真正實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、無損檢測

電子鼻識別肉類新鮮度之所以比傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度高，并不是因?yàn)槲覀儥z測了更多種類的氣體，而是對變色條碼的解讀更精確。這也是電子鼻技術(shù)的核心，是一個精確解讀變色條形碼信息的一套算法。

“條形碼” 由 20 種不同類型的的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復(fù)合材料構(gòu)成。當(dāng)其置于待測肉類之上，條碼中的鹵素染料根據(jù)氣體類型和濃度發(fā)生交叉反應(yīng)，顯示出彩色條形碼（氣味指紋）。

比如，在條形碼上第一條帶上，有一種叫溴百里酚藍(lán)（BPB）的染料，當(dāng)遇到微生物降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的生物胺，其羥基基團(tuán)分裂，可見色從黃色變成藍(lán)色。當(dāng)暴露在不同濃度的氣體中時，條碼的每一條都會有不同顏色或顏色范圍。

研究人員將條形碼粘在透明聚氯乙烯（PVC）肉類包裝薄膜上，并朝向外側(cè)，但是不接觸肉制品。然后將該樣品置于 25℃環(huán)境中，在不打開包裝的情況下，使用智能手機(jī)拍攝條形碼圖像。最終，他們得到了 4161 張肉類圖像，并隨機(jī)分成兩組：一組有 3475 張，用來訓(xùn)練模型；另一組 686 張用來測試。

識別條形碼的模型使用的是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（DCNN）。電子鼻經(jīng)過訓(xùn)練后，用 686 張圖像測試，讓系統(tǒng)判斷該條形碼對應(yīng)的肉類屬于新鮮、不新鮮或者變質(zhì)，準(zhǔn)確度高達(dá) 98．5％。

這種新型 “電子鼻”，在肉質(zhì)新鮮度檢測上，真正做到了便攜、準(zhǔn)確和無損。

在此之前，類似的電子鼻存在的問題往往是過于笨重，例如拖著長長的電源線。或者是檢測條件苛刻，某些電子鼻傳感器在高溫下才能工作。而新型電子鼻，只需要一張條形碼，和一部智能手機(jī)即可。操作人員拍下條形碼，使用專門開發(fā)的 APP 上傳圖片，接入云端的分析系統(tǒng)，快速得到結(jié)果。

應(yīng)用遠(yuǎn)不止肉類檢測

仿生嗅覺在食品工業(yè)、環(huán)境檢測、安全保障等領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用，經(jīng)過數(shù)字化處理的嗅覺信息甚至可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸共享。

除了檢測肉類新鮮度以外，電子鼻具備用在公共安全和危險品檢測的潛力。很多化學(xué)危險品本身就有特殊的氣味，這也是警犬能夠識別它們的原因，如果能用電子鼻快速準(zhǔn)確的識別該類物質(zhì)，能夠提高檢測效率和安全性。

在醫(yī)療領(lǐng)域的重大應(yīng)用中，人體在生病時會產(chǎn)生各種不同類型的氣味，對應(yīng)的疾病種類也各不相同，因而可以利用仿生嗅覺對人體疾病開展相關(guān)診治。

結(jié)尾：

生物計算機(jī)的出現(xiàn)，生物與仿生材料研究的進(jìn)步， 微細(xì)加工技術(shù)的提高，納米技術(shù)的應(yīng)用，電子鼻的功能將逐步增強(qiáng)， 它將會具有更高級的智能，能夠進(jìn)行分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、最終發(fā)展到具有創(chuàng)造能力， 可以完成圖像識別、特征值提取、多維檢測等復(fù)雜任務(wù)， 其應(yīng)用前景將更廣闊。

責(zé)任編輯：PSY