電子感覺傳感器技術發(fā)展動態(tài)

2013-11-29

眾所周知，電子技術剛一出現，就被用于制造照相機和擴音器，從而擴大了人的視覺和聽覺功能。而另外三種感覺，嗅覺、味覺和觸覺卻大大落后了。然而今天的情況已不再是這樣了。實現嗅覺、味覺和觸覺功能的電子系統正在迅速發(fā)展。同時，新技術的出現，特別是生物芯片的出現，有希望大大延伸這三種感官的能力。

一、嗅覺系統
電子感覺傳感器中開發(fā)應用最廣泛的當屬電子鼻，其中英國以其雄厚的人才資源和研究基礎處于世界領先地位，英國的蘇格蘭高地科學研究集團的高級研究員喬治×多德被公認為電子嗅覺系統的先驅，他于1980年在沃威克大學首先研制出這種系統。
電子鼻是由傳感器陣列構成的。陣列中的每個傳感器覆蓋著不同的具有選擇性吸附化學物質能力的導電聚合物。吸附作用將改變材料的電導率，從而產生一個能測量的電信號。陣列中所有不同傳感器產生的信號模式代表了特定的氣味圖譜，通過與已知氣味數據庫相比較可識別出各種氣味來。 
大多數嗅覺系統都使用類似的原理。英國有幾家公司正在開發(fā)或銷售這種系統，例如，Osmetech公司把這種系統用到英國新千年標志建筑物中，能檢測與便池傳染有關的六種細菌。
英國的Neotronics公司在若干年前即研制了一種電子鼻產品—eNose5000，現在又推出一種在線實時系統—ProSAT，這種系統標志著電子鼻已經走出實驗室，進入了實際工作環(huán)境。ProSAT能適應各種不同的傳感器技術，從導電聚合物到金屬氧化物半導體（MOS）技術以及體聲波和表面聲波器件等，主要應用于食品加工發(fā)酵和釀造業(yè)，以及在線水監(jiān)測，醫(yī)學系統和火檢測等。 英國諾丁漢大學食品科學系另僻蹊徑，研制了一種基于質譜原理的新的電子嗅覺系統。這種系統能分析人吃東西時鼻子中嗅到的香味，用于解決如何生產出不同種類的好食品，例如，生產具有更佳香味的低熱能食品，該系統目前已有銷售。
另一種最近開發(fā)的電子鼻是由美國加里福尼亞工學院研制的Cyranose230，這是一種手持式的由32個傳感器組成的單元。經過“培訓”，它能嗅出特定種類的稻米，不但能說出其種類，而且可指出其產地。

二、味覺系統
與氣味最密切相關的感覺是味覺。一些國外的研究人員正努力開發(fā)電子舌，它能品嘗出不同種類的溶液。
美國德克薩斯大學的一項研究成果已經開始轉入商品化生產診斷儀器階段。這種電子舌是由微加工工藝制成的網狀硅片組成，里面還有一些小顆粒。與小顆粒相接觸的是化學傳感器，它通過改變顏色對刺激源產生響應。所以硅片被放在光源和成像傳感器之間。第一臺樣機是為檢測酸性和粘度而設計的。由于每個傳感器能響應不同的物質，從而產生獨特的紅、綠、藍色的組合。它能同時分析若干種化學成分。 
正是這種傳感器的通用性使它適用于測量和分析含有各種生物和非生物化學成分的溶液，包括毒素、藥品、代謝物、細菌和血液產品等等。
俄羅斯圣彼得堡大學研制的電子舌能鑒別不同類型的軟飲料和酒，區(qū)分各種咖啡和分析血漿成份。處理電子舌產生的數據如同獲得化學結果一樣重要。
由于電子舌矩陣中傳感器數量多達40個，在多組分環(huán)境中每個傳感器都會產生一個復雜的響應，因此必須進行多維數據處理和利用不同模式識別法實現，例如，仿真神經網絡，或多變量校正系統等。每種數據處理方法都有自己的優(yōu)缺點和局限性，因此必須認真加以考慮才能得到可靠的食品和分析結果。
電子檢測的基本目的是評價物質，最好是實時評價，就象我們聞味和吃東西時那樣。這類系統的潛在應用決不僅限于食品衛(wèi)生那樣明顯的領域，還可用于醫(yī)學、生物技術和許多其它工業(yè)部門，例如，　　Purdue大學開發(fā)的一種新型生物芯片，通過電子電路與生物材料相結合，具有極廣泛的應用領域。僅在幾個月前宣布的這種新型生物芯片，有可能改變以往許多檢測和診斷方法。正是基于這種蛋白質匹配技術及其首次非實驗室應用，將開發(fā)出一類能檢測曾經在1999年奪走500人生命并導致數千人患嚴重疾病的利斯特氏病原菌。
這種芯片能在許多領域實現快速診斷，能實時測試食品中毒。它與當今需要對食品進行人工培育樣品的方法完全不同。其它應用還有，發(fā)現空氣中的生化武器釋放物、診斷通常的疾病、檢測作物疾病和發(fā)現民間藥品中的有益生物化學成份。
一種蛋白質就象一把鎖，只有一把鑰匙能打開它。而通過靜電吸引的方法可以把一種蛋白質固定到生物芯片上。在生物芯片內部，硅基底被刻蝕出通道，保證化學物質能從輸入端到達涂有蛋白質試劑的薄電極。當所需要的鑰匙分子接觸到蛋白質試劑時，則電極阻抗下降，通過計算機可讀出被觸發(fā)的蛋白質試劑。這種芯片包含由通道連接的一系列孔，它是由帶氧化表面的硅晶片經光刻工藝制成的，之后再用玻璃密封起來。含有被測樣品的液體通過與芯片連接的管路泵入通道中，通過它可以觀察熒光示蹤分子。

三、觸覺系統
觸覺也正被人工仿真。美國伊利諾斯大學的研究人員正在研制一種象頭發(fā)一樣的觸覺傳感器。眾所周知，許多動物和昆蟲都能用其毛發(fā)辨別許多不同事物，包括方向、平衡、速度、聲音和壓力等。這種人造毛發(fā)是利用撓性很好的玻璃和多晶硅制造的，通過光刻工藝由硅基底刻蝕出來的。
這種人造毛發(fā)的大型陣列可用于空間探測器上，其探測周圍環(huán)境的能力遠遠超出當今已有的任何系統，美國宇航局目前正積極參與這項研究。
這種傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)是產生的數據量太大。為避開這一問題，研究人員首先研究和模仿了我們自身觸覺系統的工作。他們知道每個手指大約有200根神經，而且還有錯綜復雜的表皮紋理，所以它產生的數據量之多連大腦都難以處理。但是由于皮膚的彈性就象一個低通濾波器，它能濾掉一些細枝末節(jié)，所以才使大腦的這項處理簡化可行。他們正借鑒這一事實解決人造毛發(fā)數據量過大的問題。