机器嗅觉探源之三——机器嗅觉研究发展历程与现状

  人们对具有高灵敏度和选择性的化学气敏传感器的探索已有很长的时间，最早可追溯到19世纪末。在过去的四十多年中，一些研究人员一直活跃在这一领域，包括Wilkens、Dravnieks、Tanyolac、Herberhold、Persaud、Dodd以及Abe等人，他们都曾经尝试设计和制造包含生物嗅觉系统概念的设备。1961年Moncrieff制成了一种机械式的气味检测装置，其可以检测简气体成分。但一直到1964 年Wilkens 和Hatman 研制出了世界上第一个“电子鼻”系统，其原理是利用气味在电极上的氧化-还原反应；次年Buck 等人利用气味调制电导和Dravieks 等人利用气味调制接触电位研制了另一种仿生嗅觉装置。1967年，日本Figaro公司率先将 金属氧化物半导体气敏传感器商品化。由于当时气敏传感器发展技术的限制，不能形成传感器阵列对气味进行检测，使得开展仿生嗅觉技术研究推迟了20多年。20年后，由智能化学传感器阵列系统组成的用于气味分类的电子鼻概念出现在英国Warwick大学Persaud 等人(1982年)和日本日立公司的Ikegami(1985年1987年)的文章中。而电子鼻这个术语约在20 世纪80 年代晚期出现，当时它被专用于1987 年的一个会议。随后1989 年北大西洋公约组织关于化学传感器信息处理的高级专题讨论会则专门针对人工智能嗅觉及其系统设计这个专题。第一次致力于电子鼻的专题会议是在1990 年进行的。1994年，英国Warwick大学的Gardner和SouthamPton大学的Bartlet使用了“电子鼻”这一术语并给出了定义。从此，不仅对电子鼻的性能、标准、设计和相关技术做了广泛的研究，而且相关应用及仪器化也有了一定数量的报道。人工嗅觉技术走向实用最明显的标志是商品化、样机化仪器的出现。目前国外已有人工嗅觉装置。如由法国制造的嗅觉模拟装置Fox2000，它包含一个由12个金属氧化物传感器组成的阵列，其中每个传感器都有两个工作温度可供选择，从而增加了其识别能力.它需要一台电脑来校正和运行气味敏感阵列。
在国内，尽管仿生嗅觉系统的研究还有一定差距，但也取得了一些喜人的成果。国内对于仿生嗅觉系统的关注始于20世纪90年代初期，当时仅限于对国外有关研究的报道、专业论文的翻译和嗅觉模拟技术的综述。
比较早对仿生嗅觉系统理论感兴趣并进行实质性研究的是中国人民解放军防化研究所。他们用8个金属氧化物气敏传感器组成阵列，对单一气体和混合气体进行了识别研究。实验结果显示对单一气体的识别成功率为100%，对混合气体可达70%以上，并对各种酒类进行了识别研究.
有的学者从生物仿生学角度出发，应用金属氧化物传感器阵列和主成分分析识别丙酮、乙醇和甲醇三种化学成分，同时对8种不同的浓度的甲醇溶液进行了分类，用人工神经网络方法对以上成分进行分析和识别。
其中，国内研究最多是使用仿生嗅觉系统在食品香气判定和卷烟质量判定的应用进行研究。卷烟主要围绕着烟的内在品质、烟草的研究以及烟叶燃烧时的气味，对烟气进行评价。有报道，研究人员应用8个金属氧化物传感器和传统RBF神经网络对五种不同品牌的香烟进行了识别。另外还有学者使用五个Figaro公司生产的TGS系列气敏传感器，并构造了遗传RBF神经网络方法对上述五种不同品牌的香烟重新进行了分类识别，结果要好于传统的RBF神经网络。
秦树基和黄林于2000年开发了一个能识别酒类的电子嗅觉系统。该系统能成功地识别酒精、烈性酒、葡萄酒和啤酒，其识别率可达95％ 。赵杰文于2002年研制了一套能够实时、准确地检测饮料散发气味的电子鼻系统，并应用该系统对可乐、橙汁、雪碧等几种常见的饮料进行了快速、实时的区分。
此外，国内中国科学院有关研究所、复旦大学、北京大学、哈尔滨工业大学、同济大学、大连水产学院、广东工业大学和江苏大学等单位对仿生嗅觉系统都进行过不同程度的研究，并对国内仿生嗅觉系统的发展起到了一定的推动作用。但是与国外相比，总的看来，国内对仿生嗅觉系统的研究还停留在实验室阶段。

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