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电子感觉传感器技术发展动态

2014-05-26 09:54:52

[导读] 众所周知,电子技术刚一出现,就被用于制造照相机和扩音器,从而扩大了人的视觉和听觉功能。而另外三种感觉,嗅觉、味觉和触觉却大大落后了。然而今天的情况已不再是这样了。实现嗅觉、味觉和触觉功能的电子系统正在迅速发展。同时,新技术的出现,特别是生物芯片的出现,有希望大大延伸这三种感官的能力。

   众所周知,电子技术刚一出现,就被用于制造照相机和扩音器,从而扩大了人的视觉和听觉功能。而另外三种感觉,嗅觉、味觉和触觉却大大落后了。然而今天的情况已不再是这样了。实现嗅觉、味觉和触觉功能的电子系统正在迅速发展。同时,新技术的出现,特别是生物芯片的出现,有希望大大延伸这三种感官的能力。

  一、嗅觉系统

  电子感觉传感器中开发应用最广泛的当属电子鼻,其中英国以其雄厚的人才资源和研究基础处于世界领先地位,英国的苏格兰高地科学研究集团的高级研究员乔治·多德被公认为电子嗅觉系统的先驱,他于1980年在沃威克大学首先研制出这种系统。

  电子鼻是由传感器阵列构成的。阵列中的每个传感器覆盖着不同的具有选择性吸附化学物质能力的导电聚合物。吸附作用将改变材料的电导率,从而产生一个能测量的电信号。阵列中所有不同传感器产生的信号模式代表了特定的气味图谱,通过与已知气味数据库相比较可识别出各种气味来。

  大多数嗅觉系统都使用类似的原理。英国有几家公司正在开发或销售这种系统,例如,Osmetech公司把这种系统用到英国新千年标志建筑物中,能检测与便池传染有关的六种细菌。

  英国的NeotroNIcs公司在若干年前即研制了一种电子鼻产品—eNose5000,现在又推出一种在线实时系统—ProSAT,这种系统标志着电子鼻已经走出实验室,进入了实际工作环境。ProSAT能适应各种不同的传感器技术,从导电聚合物到金属氧化物半导体(MOS)技术以及体声波和表面声波器件等,主要应用于食品加工发酵和酿造业,以及在线水监测,医学系统和火检测等。

  英国诺丁汉大学食品科学系另僻蹊径,研制了一种基于质谱原理的新的电子嗅觉系统。这种系统能分析人吃东西时鼻子中嗅到的香味,用于解决如何生产出不同种类的好食品,例如,生产具有更佳香味的低热能食品,该系统目前已有销售。

  另一种最近开发的电子鼻是由美国加里福尼亚工学院研制的Cyranose230,这是一种手持式的由32个传感器组成的单元。经过“培训”,它能嗅出特定种类的稻米,不但能说出其种类,而且可指出其产地。

  二、味觉系统   与气味最密切相关的感觉是味觉。一些国外的研究人员正努力开发电子舌,它能品尝出不同种类的溶液。

  美国德克萨斯大学的一项研究成果已经开始转入商品化生产诊断仪器阶段。这种电子舌是由微加工工艺制成的网状硅片组成,里面还有一些小颗粒。与小颗粒相接触的是化学传感器,它通过改变颜色对刺激源产生响应。所以硅片被放在光源和成像传感器之间。第一台样机是为检测酸性和粘度而设计的。由于每个传感器能响应不同的物质,从而产生独特的红、绿、蓝色的组合。它能同时分析若干种化学成分。

  正是这种传感器的通用性使它适用于测量和分析含有各种生物和非生物化学成分的溶液,包括毒素、药品、代谢物、细菌和血液产品等等。

  俄罗斯圣彼得堡大学研制的电子舌能鉴别不同类型的软饮料和酒,区分各种咖啡和分析血浆成份。处理电子舌产生的数据如同获得化学结果一样重要。

  由于电子舌矩阵中传感器数量多达40个,在多组分环境中每个传感器都会产生一个复杂的响应,因此必须进行多维数据处理和利用不同模式识别法实现,例如,仿真神经网络,或多变量校正系统等。每种数据处理方法都有自己的优缺点和局限性,因此必须认真加以考虑才能得到可靠的食品和分析结果。

  电子检测的基本目的是评价物质,最好是实时评价,就象我们闻味和吃东西时那样。这类系统的潜在应用决不仅限于食品卫生那样明显的领域,还可用于医学、生物技术和许多其它工业部门,例如,Purdue大学开发的一种新型生物芯片,通过电子电路与生物材料相结合,具有极广泛的应用领域。仅在几个月前宣布的这种新型生物芯片,有可能改变以往许多检测和诊断方法。正是基于这种蛋白质匹配技术及其首次非实验室应用,将开发出一类能检测曾经在1999年夺走500人生命并导致数千人患严重疾病的利斯特氏病原菌。

  这种芯片能在许多领域实现快速诊断,能实时测试食品中毒。它与当今需要对食品进行人工培育样品的方法完全不同。其它应用还有,发现空气中的生化武器释放物、诊断通常的疾病、检测作物疾病和发现民间药品中的有益生物化学成份。

  一种蛋白质就象一把锁,只有一把钥匙能打开它。而通过静电吸引的方法可以把一种蛋白质固定到生物芯片上。在生物芯片内部,硅基底被刻蚀出通道,保证化学物质能从输入端到达涂有蛋白质试剂的薄电极。当所需要的钥匙分子接触到蛋白质试剂时,则电极阻抗下降,通过计算机可读出被触发的蛋白质试剂。这种芯片包含由通道连接的一系列孔,它是由带氧化表面的硅晶片经光刻工艺制成的,之后再用玻璃密封起来。含有被测样品的液体通过与芯片连接的管路泵入通道中,通过它可以观察荧光示踪分子。

  三、触觉系统

  触觉也正被人工仿真。美国伊利诺斯大学的研究人员正在研制一种像头发一样的触觉传感器。众所周知,许多动物和昆虫都能用其毛发辨别许多不同事物,包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用挠性很好的玻璃和多晶硅制造的,通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。

  这种人造毛发的大型阵列可用于空间探测器上,其探测周围环境的能力远远超出当今已有的任何系统,美国宇航局目前正积极参与这项研究。

  这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这一问题,研究人员首先研究和模仿了我们自身触觉系统的工作。他们知道每个手指大约有200根神经,而且还有错综复杂的表皮纹理,所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是由于皮肤的弹性就象一个低通滤波器,它能滤掉一些细枝末节,所以才使大脑的这项处理简化可行。他们正借鉴这一事实解决人造毛发数据量过大的问题。

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