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無創(chuàng)“電子鼻”或助患者重獲嗅覺 清華大學研究團隊取得新進展
2025年12月02日 15:24:35
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：1943
近日，清華大學未來實驗室氣味檢測與嗅覺計算研究團隊在電子鼻技術研究中取得突破性進展，相關成果以《An electronic nose device with rapid and universal odor detection capability》為題，發(fā)表于傳感器領域國際權威期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》。
由于嗅覺和三叉神經(jīng)系統(tǒng)在解剖和功能上緊密交織，通過特定的電刺激模式激活三叉神經(jīng)，可以向大腦傳遞與氣味相關的信息。電子鼻作為模擬生物嗅覺的人工傳感系統(tǒng)，通過氣體傳感器陣列與人工智能算法實現(xiàn)氣味識別，在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療輔助、食品質(zhì)量評估等領域應用廣泛。隨著普適計算與物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，其在智能家居、服務機器人等場景的需求日益增長。
疾病等原因造成的嗅覺減退和喪失不僅剝奪了人們享受美食的樂趣，更增加了煤氣泄漏、食物腐敗等安全風險。不同于已經(jīng)幫助了無數(shù)聽障人士的人工耳蝸，至今仍未有一種商業(yè)化的“嗅覺義肢”問世。近日，清華大學未來實驗室氣味檢測與嗅覺計算研究團隊在電子鼻技術研究中取得突破性進展，相關成果以《An electronic nose device with rapid and universal odor detection capability》為題，發(fā)表于傳感器領域國際權威期刊《Sensors and Actuators B: Chemical》。
目前，大部分現(xiàn)有研究的檢測對象局限于特定細分領域，不能像人一樣“什么都能聞”。同時部分研究還需對樣品進行加熱、過濾等復雜預處理，難以適應多元化場景的快速檢測需求。本研究基于金屬氧化物半導體(MOS)傳感器與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)算法，研發(fā)出無需預處理、兼具快速響應與廣譜檢測能力的電子鼻設備，首次實現(xiàn)食品、家居、安全等 11 類場景共 53 種氣味物質(zhì)的自然狀態(tài)檢測，突破傳統(tǒng)技術對實驗室環(huán)境的依賴，為嗅覺感知技術從 “專用” 走向 “通用” 奠定基礎。
針對上述場景對氣味檢測的檢測需求，研究團隊精心篩選了52種具有代表性的氣味物質(zhì)和空樣(清潔空氣)，覆蓋食品、環(huán)境保護、健康護理和安全四大領域。其中，食品領域包括檸檬、洋蔥、威士忌、白酒、咖啡等；環(huán)境保護領域涵蓋甲苯、甲醛、油漆、膠水等揮發(fā)性有機物；健康護理領域包含洗發(fā)水、洗衣液、香水等個人護理用品；安全領域則涉及汽油、煤油、打火機燃料等易燃物質(zhì)。這些物質(zhì)既包括分子組成差異顯著的典型氣味(如檸檬與汽油)，也涵蓋了成分相近的易混淆類別(如不同濃度白酒、不同品種的茶葉等)，全面開發(fā)并驗證了電子鼻的廣譜檢測能力。
研究團隊自主研發(fā)了四種金屬氧化物半導體(MOS)氣體傳感器，相比市面的商用傳感器，顯著提升了傳感器的響應靈敏度和選擇性。自研傳感器兼具成本優(yōu)勢與性能穩(wěn)定性，對揮發(fā)性有機物(V0Cs)和復雜混合氣味表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性，為廣譜檢測提供了硬件基礎。
研究通過研發(fā)選擇性更好的氣體傳感器，改進硬件結構提高裝置的采集性能，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法有效補償氣味濃度的波動，構建了通用氣味識別模型。該模型能夠嵌入式集成在電子鼻中，實現(xiàn)片上運行、實時分類。該電子鼻設備兼具快速檢測(7 秒識別)、廣譜識別(53 種物質(zhì))、低功耗運行等特性，在智能家居氣味預警(如燃氣泄漏、食品變質(zhì))、食品品質(zhì)監(jiān)控(原料分類、貨架期評估)、環(huán)境污染物檢測(VOCs 實時監(jiān)測)等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。團隊計劃持續(xù)優(yōu)化傳感器陣列與算法模型，推動設備小型化與產(chǎn)業(yè)化，為構建通用氣味數(shù)據(jù)庫、普及嗅覺感知技術奠定基礎，推動電子鼻在智能家居、食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領域的規(guī)?；瘧?。
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