中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
嗅覺(jué)對于動(dòng)物生存的重要性不言而喻，電子鼻利用氣體傳感器模擬哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)感受器細胞，通過(guò)傳感器陣列化并結合模式識別算法，快速精準識別氣味。由于可識別無(wú)味、有毒、刺激性和低濃度氣體，電子鼻為擴大人類(lèi)嗅覺(jué)邊界提供了巨大潛力。當前，雖然電子鼻已在多個(gè)行業(yè)應用中落地，包括農業(yè)工程、環(huán)境監測、食品加工、爆炸物檢測等，但還存在一些不足之處，例如：（1）與人類(lèi)嗅覺(jué)細胞相比，電子鼻常采用的金屬氧化物半導體（MOS）氣體傳感器缺乏“特異性”，對于多種氣味具有交叉敏感性；（2）電子鼻集成的傳感器陣列規模遠少于人類(lèi)嗅覺(jué)器官，制約著(zhù)電子鼻對復雜氣味信息的處理能力和識別效果；（3）氣體傳感器輸出為模擬信號，現有的電子鼻氣味識別算法基于有限特征，在特征提取過(guò)程未能充分挖掘傳感器信號蘊含的特征信息而限制了電子鼻的性能。
電子鼻人工嗅覺(jué)系統（a） vs. 人類(lèi)嗅覺(jué)系統（b）
學(xué)習借鑒并超越人類(lèi)感覺(jué)器官是業(yè)界孜孜不倦追求的方向。據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，華中科技大學(xué)劉歡教授課題組通過(guò)合作研發(fā)智能電子鼻新技術(shù)，從氣敏材料與識別算法兩個(gè)層面聯(lián)合攻關(guān)，提出了一種基于半導體傳感器氣敏響應全過(guò)程特征的嗅覺(jué)算法（All-Feature Olfactory Algorithm，AFOA），構建出高靈敏度、高可靠性、便攜式智能電子鼻，成功提高了對復雜氣味的識別準確率。相關(guān)研究成果以“Smart Electronic Nose Enabled by an All-Feature Olfactory Algorithm”為題發(fā)表于Wiley出版社旗下智能系統領(lǐng)域旗艦刊Advanced Intelligent Systems期刊。
該團隊利用自主研發(fā)的多種MOS氣敏材料作為人工氣味受體，通過(guò)MOS氣體傳感器單元模擬不同類(lèi)型的嗅覺(jué)感受器細胞，將氣-固界面反應引起的電荷轉移轉變?yōu)殡娮柚底兓敵?。此次研發(fā)的電子鼻采用六個(gè)非特異性的MOS氣體傳感器形成陣列，為后續的識別算法提供更多可學(xué)習的特征。這些MOS氣體傳感器采用的氣敏材料為SnO2量子點(diǎn)、SnO2納米線(xiàn)、SnO2納米顆粒、In2O3量子點(diǎn)、NiO納米顆粒和WO3量子點(diǎn)。
集成MOS氣體傳感器陣列的電子鼻及檢測空氣和五種中國白酒的原始響應數據
由于MOS氣體傳感器對多種氣味具有交叉敏感性，因此先進(jìn)的氣味識別算法對于電子鼻的性能提升和應用拓展至關(guān)重要。受人類(lèi)嗅覺(jué)的啟發(fā)，該團隊利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模擬嗅球、大腦嗅覺(jué)皮層以及它們之間的復雜連接，自主研發(fā)的AFOA實(shí)現了MOS氣體傳感器陣列與多種氣味分子響應恢復過(guò)程中完整信息的提取與分析?；谶@一技術(shù)，集成MOS氣體傳感器陣列的智能電子鼻可以高準確度（94.1%）、快速（2分鐘以?xún)龋┳R別出五種氣味相近的中國白酒（CGJ、BYBJX、BYBNX、STJ、MTWZ）。
分類(lèi)結果：基于特征的算法 vs. 基于深度學(xué)習的算法（AFOA）
與基于特征的算法相比，該論文提出的AFOA在氣味識別性能和魯棒性方面得到大幅度提升。由于MOS氣體傳感器陣列響應曲線(xiàn)多通道間的空間無(wú)關(guān)性，相對于基于二維卷積的深度學(xué)習方法，一維卷積在減少計算量的同時(shí)還能提升性能。該團隊進(jìn)一步研究發(fā)現，隨著(zhù)氣體傳感器種類(lèi)與數量的提高，可以豐富輸入數據在時(shí)間和通道維度上的特征表達，這些特征表達與氣體分子和敏感材料的反應動(dòng)力學(xué)有關(guān)。未來(lái)研究工作中，AFOA還可以用于構建氣味地圖，從而探索可能存在的嗅覺(jué)信息編碼策略。
本論文提出的AFOA整體架構
總之，該項研究工作展示了一種基于六個(gè)MOS氣體傳感器的智能電子鼻——內建了一種基于深度學(xué)習的氣味識別算法：AFOA，能夠在復雜環(huán)境中識別目標氣味；同時(shí)，還展現了低成本、便攜式、可進(jìn)化的電子鼻協(xié)同設計和制造方案，應用前景廣闊。目前，劉歡教授課題組正在開(kāi)展基于該技術(shù)的人體呼出氣疾病標志物檢測原理樣機研究，以期將智能電子鼻技術(shù)應用于臨床檢驗和居家自檢，實(shí)現人類(lèi)疾病的早期篩查。展望未來(lái)，氣體傳感器陣列和智能算法的協(xié)同設計與高度集成，將使電子鼻超越生物鼻！
華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院劉歡教授、人工智能與自動(dòng)化學(xué)院白翔教授為該文共同通訊作者，電信學(xué)院博士研究生方聰和光電信息學(xué)院李華曜副研究員為共同第一作者，該研究得到光電信息學(xué)院唐江教授的技術(shù)支持。劉歡教授在國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金、華中科技大學(xué)學(xué)術(shù)前沿青年團隊、武漢國家光電研究中心創(chuàng )新基金立項資助下帶領(lǐng)團隊開(kāi)展上述工作。項目相關(guān)技術(shù)已獲得國家發(fā)明專(zhuān)利授權。
