新的“电子鼻”每秒采样 60 次气味

气味无处不在，而且通常会迅速散去——例如，在野火等危险情况下，风况会迅速将任何烟雾（和烟味）带离其来源。派人去检查灾区总是有风险的，那么如果配备电子鼻或电子鼻的机器人可以通过“闻到”来追踪危险呢？
这个概念激发了 Science Advances 最近的一项研究，其中研究人员构建了一种电子鼻，它不仅可以以与小鼠嗅觉系统相同的速度检测气味，还可以通过它们在与电子鼻传感器交互时随时间产生的特定模式来区分气味。
“当加臭剂被湍流气流带走时，它们会被切成更小的包，”英国赫特福德大学教授迈克尔·施穆克 （Michael Schmuker） 说。Schmuker 说，这些气味包会迅速变化，这意味着需要快速检测有效的气味感应系统来检测它们。气味包的变化方式以及变化的频率可以提供有关气味来源有多远的线索。

E-nose 的工作原理
电子鼻使用金属氧化物气体传感器，其传感表面以每秒高达 20 次的速度加热和冷却至 150 °C 至 400 °C 之间。当与气味剂直接接触时，传感表面会发生氧化还原反应。
电子鼻的电路和传感器外壳被移除后的显微镜图像。新的电子鼻比信用卡还小，包括几个传感器，例如右侧的传感器。NIK DENNLER 等人。
电子鼻比信用卡小，功耗仅为 1.2 至 1.5 瓦（包括微处理器和 USB 读数）。研究人员使用现成的组件构建了该系统，这些组件具有定制设计的数字接口，以便在遇到构成传感表面的加热电极时更精确地探测气味动态。“气味剂在空气中流淌，其中一些会与热表面发生反应，”Schmuker 说。“它们如何与它反应取决于它们自己的化学成分——它们可能会氧化或还原表面——但会发生化学反应。”

因此，金属氧化物电极的电阻会发生变化，这是可以测量的。这种变化的数量和动态对于加臭剂和传感器材料的不同组合是不同的。电子鼻使用两对四个不同的传感器来构建电阻响应曲线模式。电阻响应曲线说明了传感器的电阻如何随时间变化以响应刺激（如气味）。这些曲线捕获了传感器将物理交互（如气味分子与其表面结合）转换为电信号的过程。由于每种气味都会产生不同的响应模式，因此分析电信号如何随时间演变有助于识别特定的气味。
“我们发现，以每秒约 20 次的速度在 150°C 和 400°C 之间快速来回切换温度会产生独特的数据模式，从而更容易识别特定气味，”赫特福德大学和西悉尼大学的双博士生 Nik Dennler 说。通过构建加臭剂在这些不同温度下的反应图，可以将响应曲线插入机器学习算法中，以发现与特定气味相关的模式。
虽然电子鼻不像普通鼻子那样“嗅”，但用于检测气味的周期性加热循环让人想起哺乳动物进行的周期性嗅探。

在灾害管理中使用 E-nose
伦敦弗朗西斯·克里克研究所和伦敦大学学院的研究人员在 2021 年的一项发现表明，小鼠每秒可以区分高达 40 次的气味波动——这与长期以来认为哺乳动物需要一次或多次嗅闻才能获得任何有意义的气味信息的看法相反。
在这项新工作中（部分由 2021 年发现背后的同一位研究人员进行），研究人员发现电子鼻可以像老鼠一样快地检测到气味，能够每秒分辨和解码高达 60 次的气味波动。电子鼻目前可以区分 5 种不同的气味，无论是单独呈现还是混合两种气味。如果经过训练，电子鼻可以检测到额外的气味。
“我们发现它可以在短短 50 毫秒内准确识别气味，并解码气味切换之间的模式，每秒高达 40 次，”Dennler 说。相比之下，最近的人类研究表明，区分与相同嗅觉受体结合的两种气味的阈值约为 60 毫秒。
小规模和中等功率要求使电子鼻能够部署在用于查明气味来源的机器人中。“还有其他快速技术，但通常非常笨重，你需要一个大电池来为它们供电，”Schmuker 说。“我们可以将我们的设备放在一个小型机器人上，并评估它在你今天使用嗅探犬的应用中的应用。”
“一旦你开车、走路或四处飞行，你就需要非常快速地感知，”Dennler 说。“使用我们的电子鼻，我们可以高速捕获气味信息。主要应用可能涉及气味引导导航任务，或者更普遍地说，在移动中收集气味信息。
研究人员正在考虑将这些小型电子鼻机器人用于灾害管理应用，包括定位野火和天然气泄漏，以及在地震后寻找被埋在瓦砾中的人。