嗅觉传感器:通过气味找出异物和疾病

2015-07-24 12:35:03来源: 日经商务周刊 关键字:嗅觉传感器
    
人的五感中,嗅觉最为复杂,其机制还没有完全查明。模仿嗅觉的机制,检测气味来源的种类、数量的“嗅觉传感器”的开发在不断推进。如果能够实现,便可在通过气味发现炸弹、发现癌症等许多用途大显身手。

       “就是嗅出C4(塑料炸弹)的气味吧。”

       使用检测气味的传感器躲避炸弹。这是2001年上市的战术动作游戏《合金装备2》(Metal Gear Solid 2)中的一幕。虽说当时还只是游戏里的内容,但在最近,随着感知气味的“嗅觉传感器”的进化,这一场景即将成为现实。

       日本九州大学味觉和嗅觉传感器研发中心的副教授小野寺武的研究小组,正在开发利用气味探测炸弹的嗅觉传感器。

       动物嗅到含有气味成分的化学物质,会感测到气味成分,在大脑中识别为气味。该研究组以炸弹成分发出的气味为对象,利用机械重现嗅觉的感知过程,开发出了能探测爆炸物的嗅觉传感器。其原理是,开发出容易与炸弹成分结合的物质,通过掌握结合时成分性质的变化,探测炸弹的位置。
 
       截至目前,探测炸弹使用的是爆炸物探测犬,犬和人都需要接受专门训练,而且,犬能够集中精力探测的时间只有几个小时,因此需要开发一种新的检测方法。

       由于低误测率物质的开发、特征分析软件的开发、设备的小型化等方面存在重重困难,开发曾几度受阻,但考虑到“启动开发的2002年,是美国遭遇911恐怖袭击的第二年。该项目具有深远的社会意义”(小野寺副教授),开发最终坚持了下来。

       努力没有白费,小野寺副教授介绍称,“检测已经达到了与犬相当的精度”。有研究认为,只要在气体中达到500ppt(ppt为1万亿分之1,10-12)左右的浓度,犬就能嗅出炸弹的成分。而小野寺等人开发的传感器,在溶液中可以检出的最低浓度仅为5.7ppt。

       这种嗅觉传感器很快便引起了关注。这是因为机场等公共设施具有提高安全性的社会需求,而且传感器的应用范围广,对业务的影响较大。

       除了探测炸弹以外,嗅觉传感器还可以用来检测毒品,以及在灾害现场探测人的气味。还可用在案件侦查现场,采集能够确认身份的气味,替代指纹成为有力的证据。

       已经有饮料制造商开始在其工厂试用嗅觉传感器。在使用生产过果汁的设备生产茶饮料时,尽管清洗了设备,有时还会发生果汁的香味转移到茶饮料中的情况。嗅觉传感器可用来确认清洗是否彻底。
 

通过检测特定成分诊断疾病

       嗅觉传感器在医疗领域也有很多应用案例。其目的是利用嗅觉传感器,检测人呼气的成分中是否存在某种疾病特有的物质,以便做到早发现、早治疗。

       因为只需要呼气,所以与血液检查、采集组织切片的检查相比,对人体造成的伤害较小。

       日本产业技术综合研究所电子陶瓷部部长申Usoku与主任研究员伊藤敏雄开发的“呼气氢浓度测量器”就是一个具体事例。

       申部长介绍说,饭后没有被完全消化的碳水化合物,在大肠中会被细菌分解发酵,此时会释放出氢气。如果在呼气中检测到氢气,就可以判断消化吸收功能较弱。

       根据这一理论,申部长打算开发能在早期发现癌症的嗅觉传感器。日本国立癌症研究中心2015年4月发布报告称,推测日本全国的癌症患者人数将在2015年达到98万人。如果能在早期发现癌症,可以拯救的生命数量也将飞跃式增加。

       申部长等人把目光锁定在了肺癌患者的呼气中可能含量较多的物质“壬醛”(Nonanal)上,开发出了可以检测出该物质的传感器,目前正与爱知县的医疗机构合作,提高检测精度。“除此之外,还在寻找其他候选的特征成分,并考虑利用多种物质进行检测”(申部长)。

       使用嗅觉传感器在早期发现阿尔茨海默型等失智症,通过训练大脑,延缓其症状的发展。正在为此开展研究的,是日本产业技术综合研究所身体适应辅助工程研究组的主任研究员小早川达。

       小早川表示,阿尔茨海默型失智症的初期症状有时表现为嗅觉下降。小早川着眼于这一特点,开发了由气味发生装置、嗅觉传感器、脑电波仪组成的系统。并利用该系统开展了对照研究,具体方式是,实时检测有无气味,并利用脑电波仪查看各人对气味有无反应。

       小早川介绍说:“在实验中,我们对健康人和嗅觉疾病患者进行了检测。结果表明,健康人的脑电波在嗅到气味后会作出反应。”现在,小早川正在努力开发更小型、成本更低的检测系统。
 
东京农工大学石田宽副教授开发的“嗅觉辅助面具”
       正如前面介绍的那样,嗅觉传感器要想在今后实现普及,需要经历3个研发阶段:①研究嗅觉的机制;②以机制的研究为基础,开发嗅觉传感器;③开发配备嗅觉传感器的装置。

       嗅觉机制的研究方面,东京大学研究生院农学生命科学研究科教授东原和成正在积极推进。最近发现了麝香的香味与嗅出其香味的人的嗅觉及大脑区域的关系。

       麝香是常被用于香水和芳香剂等的名贵香料,价格不菲,如果能够以这项研究为基础,开发出检测麝香和与之相似香味的嗅觉传感器,就有望开发出低成本的产品。

       东京工业大学精密工学研究所教授中本高道在研究苍蝇对霉臭作出反应的机制。中本教授介绍说:“如果知道苍蝇会对什么作出反应,就可以代入嗅觉传感器中,用于食品腐败等质量检查。”

       东京农工大学研究生物系统应用科学府副教授石田宽,正在开发使用嗅觉传感器的装置,制作出了配备燃气气味传感器的探测装置。设想的用途是在燃气工厂检测燃气泄漏,以及检测垃圾填埋场产生的甲烷气体。

       在实验中,风向加大了确定发生源的难度,为此,石田副教授正在开发利用无人机爬升时的气流,使气味方向保持一致的技术。

       最近,石田副教授还开发出了可以背在身上实施检测的“嗅觉辅助面具”。在感测到燃气等特定气体的气味后,将利用对人体无害的其他气味,在面具内重现检测到的气味。

       石田副教授介绍说:“机器人行动不便,移动性略差。人在某些方面更有利。”除此之外,他还在研究人类能否通过更换嗅觉传感器,代替警犬搜索炸弹、毒品等违禁物品。
 

能再现香味的电视机

       嗅觉传感器的应用事例也已经开始出现。比如检测实际的香味、重现其味道并让人嗅到的设备。前面提到的东工大的中本教授率先开展了此类研究,此前开发出了可重现冰淇淋香味和咖喱香味的设备。

       电影院、电视机、室外广告的数字标牌(电子广告牌)等如果能够根据播放的场景,释放出对应的香味,便可以提高临场感和广告效果。不过,“在电影院等场所释放香味虽然可以增加沉浸感,但在场景转换的时候,残留的香味有可能干扰观影”(中本教授)。现在,为了让观众嗅到不会有残留的淡淡的味道,中本教授正在开发佩戴在鼻子附近的头戴式装置。

       美国调查公司MarketsandMarkets的调查结果显示,嗅觉传感器相关的市场规模在2020年将达到6.91亿美元。随着嗅觉研究的进步,社会可能将会变得更加丰富多彩。(记者:松浦龙夫,《日经商务周刊》) 

关键字:嗅觉传感器

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0724/article_43922.html
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