仿生傳感器是通過研究和利用生命有機(jī)體的分子和結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)和改進(jìn)傳感器和工藝，使傳感器具有某些生物的獨(dú)特性能。其研究工作大部分是跨學(xué)科的，不但涉及基礎(chǔ)學(xué)科如物理、化學(xué)和生物學(xué), 還涉及到一些專門學(xué)科, 如材料科學(xué)、電子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)等。

 

仿生傳感器研究的目標(biāo)是開發(fā)人體感覺器官的替代品，其特點(diǎn)是能夠模擬某些生物體功能, 像人體感覺器官那樣工作, 發(fā)出信息、產(chǎn)生響應(yīng)。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及生物醫(yī)學(xué)中人體感受器官的診斷和修復(fù)、智能機(jī)器人、食品、環(huán)境、大氣污染的監(jiān)測(cè)、軍事安全、化學(xué)和生物武器以及反恐怖等十分廣泛的領(lǐng)域。如具有仿生功能的人工眼、人工耳、人工鼻、人工舌以及人工皮膚用于人體感受器官損傷的修復(fù)和替代; 用于現(xiàn)場(chǎng)對(duì)食品和環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行快速檢測(cè)和鑒別的電子鼻和電子舌。在化學(xué)和生物戰(zhàn)中, 仿生傳感器能對(duì)其所懷疑的病菌實(shí)行快速監(jiān)控, 使人們盡早檢出病菌。在未來的小型、微型甚至納米機(jī)器人中, 如模擬蜜蜂、蝴蝶甚至嶂螂的小型機(jī)器昆蟲將配備眾多的仿生傳感器。

 

 

近年來, 隨著生物醫(yī)學(xué)和微電子加工技術(shù)的快速發(fā)展和人類生活質(zhì)量的不斷提高, 用仿生技術(shù)研制各種具有感覺功能的用于損傷修復(fù)的人工器官得到子決速的發(fā)展。國際上仿生傳感器研究首先是從檢測(cè)和識(shí)別物理量開始的, 特別是在人工視覺、人工聽覺和人工觸覺的研究方面呈現(xiàn)非常活躍的局面。隨著生命科學(xué)和人工智能研究的快速發(fā)展, 使人們對(duì)探索和模仿動(dòng)物及人類的嗅覺和味覺功能在技術(shù)上有了可能, 同時(shí), 隨著生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)w味、體液快速分析檢測(cè)和環(huán)境中微量、痕量元素檢測(cè)需要的增長(zhǎng), 人們對(duì)電子鼻和電子舌這類快速分析診斷儀器的需求日益增長(zhǎng)。

 

仿生傳感器的定義及工作原理

 

仿生傳感器，是一種采用新的檢測(cè)原理的新型傳感器，它采用固定化的細(xì)胞、酶或者其他生物活性物質(zhì)與換能器相配合組成，基于生物學(xué)原理設(shè)計(jì)的可以感受規(guī)定待測(cè)物并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換及輸出可用信號(hào)的器件或裝置，是一種采用新的檢測(cè)原理的新型傳感器，由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成，另外輔之以信號(hào)調(diào)整電路或電源等。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學(xué)和電子學(xué)、工程學(xué)相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術(shù)。

 

下圖為仿生傳感技術(shù)的研究模型的建立框圖：

 

 

仿生傳感器的分類

 

在仿生傳感器常分為視覺傳感器，嗅覺傳感器，聽覺傳感器，味覺傳感器，觸覺傳感器，接近覺傳感器，力覺傳感器和滑覺傳感器，比較常用的是生體模擬的傳感器。仿生傳感器按照使用的介質(zhì)可以分為：酶?jìng)鞲衅?、微生物傳感器、?xì)胞傳感器、組織傳感器等。

 

01 嗅覺仿生傳感器

 

我們知道，動(dòng)物是憑借靈敏的鼻子來聞出各種各樣不同的氣體，并做出相應(yīng)的生理反應(yīng)的。我們的鼻腔內(nèi)壁上雖然只有大約1000 個(gè)類似于氣敏傳感器的氣體接受細(xì)胞組，但它卻能辨別出種類達(dá)數(shù)以千計(jì)的不同氣味（嗅覺一般的人能聞出4000多種氣體，嗅覺靈敏的人可以聞出10000多種氣體）。最新的研究表明嗅覺的產(chǎn)生是由多個(gè)嗅覺細(xì)胞組合起來共同對(duì)某種氣味進(jìn)行“探測(cè)”的結(jié)果。每一種不同的組合，感知一種不同的氣味,由于組合方式多種多樣，因此動(dòng)物能辨別大量不同的氣味。目前仿生嗅覺的研究趨勢(shì)是利用具有交叉式反應(yīng)的氣敏元件組成一定規(guī)模的氣敏傳感器陣列來對(duì)不同的氣體進(jìn)行信息提取，然后將這些大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)交由計(jì)算機(jī)進(jìn)行模式判別處理。

 

 

對(duì)于嗅覺的敏感機(jī)理,人們建立了許多模型, 但具體細(xì)節(jié)仍處于摸索中。國際上有關(guān)嗅覺和味覺的研究始于上世紀(jì)60年代。一方面, 生物學(xué)家、神經(jīng)生理學(xué)家以及化學(xué)家,在嗅覺和味覺的神經(jīng)傳導(dǎo)機(jī)理方面進(jìn)行了長(zhǎng)期的摸索和研究, 提出眾多的設(shè)想、模型和實(shí)驗(yàn)分析, 如美國MIT大學(xué)的神經(jīng)生理學(xué)家Freeman教授對(duì)嗅覺模型進(jìn)行了幾十年的研究。另一方面, 從事分析化學(xué)、電子學(xué)、儀器科學(xué)等工程類的學(xué)者, 廣泛開展了有關(guān)氣體和離子傳感器的研究和儀器研制,在許多領(lǐng)域開發(fā)出了具有嗅覺和味覺部分功能的分析儀器。因此,目前國際上有關(guān)氣體檢測(cè)的傳感器和分析儀器種類繁多,但真正具有仿生功能的電子鼻還大多處在實(shí)驗(yàn)室階段。

 

生物嗅覺機(jī)理

 

嗅覺對(duì)動(dòng)物的生存至關(guān)重要,是其鑒別食物、選擇配偶、標(biāo)記領(lǐng)地和躲避敵人等的重要信息來源,其他感覺系統(tǒng)無法替代。哺乳動(dòng)物嗅覺感知由解剖和功能上獨(dú)立的兩部分完成,即犁鼻器系統(tǒng)和主嗅覺系統(tǒng)。前者主要接受信息素的刺激,引起機(jī)體內(nèi)分泌變化,引發(fā)一系列生殖和社會(huì)行為。

 

 

自然界中的氣味通常是由多種不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的氣味分子(odorant)組成的混合物，機(jī)體感受的是它們共同作用的綜合效應(yīng)。 氣味感受器位于鼻腔上部的嗅上皮,主要由嗅神經(jīng)元(OSN)、支持細(xì)胞和基底細(xì)胞等組成,其中嗅神經(jīng)元是雙極細(xì)胞,它的樹突到達(dá)嗅上皮表面后末端變成圓形膨大,并發(fā)出數(shù)十根纖毛伸入表面黏液中。纖毛的質(zhì)膜上存在氣味受體,它在氨基酸序列上具有7個(gè)螺旋狀跨膜結(jié)構(gòu),屬于G蛋白偶聯(lián)受體。氣味受體基因是成員數(shù)目龐大的超家族, 但每個(gè)嗅神經(jīng)元只表達(dá)其中一種受體基因。嗅上皮存在4個(gè)獨(dú)立的空間區(qū)域,氨基酸序列具有高度同源性的氣味受體傾向于分布在相同區(qū)域,但在特定區(qū)域內(nèi)含不同氣味受體的嗅神經(jīng)元又隨機(jī)分布,以提高對(duì)嗅質(zhì)各個(gè)方位上的敏感性。氣味分子與受體是以某些化學(xué)官能團(tuán)的配位方式作用的, 使得同種氣味受體可以接受多種不同氣味分子的刺激,  或者說一種氣味分子可以興奮若干不同的嗅神經(jīng)元。“專一表達(dá)、分區(qū)排列、隨機(jī)分布、交叉配位”的特點(diǎn)讓機(jī)體在嗅上皮中完成了對(duì)不同信息分子的最初選擇性和初步的空間編碼。

 

仿生嗅覺系統(tǒng)

 

電子鼻是受生物嗅覺原理的啟發(fā),將現(xiàn)代傳感技術(shù)、電子技術(shù)和模式識(shí)別技術(shù)等工程手段緊密結(jié)合研制成的新穎仿生檢測(cè)儀器.通常,樣品揮發(fā)的氣味與陣列中多個(gè)氣敏傳感器反應(yīng),將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后經(jīng)過一系列放大降噪調(diào)理、基線校準(zhǔn)或歸一化等預(yù)處理過程,獲取并增強(qiáng)該樣品所對(duì)應(yīng)的綜合指紋信息,再從中提取合適的特征輸入到特定的模式識(shí)別算法,最終完成對(duì)樣品的定性或定量辨識(shí)。

 

與生物嗅覺的結(jié)構(gòu)和功能相比較,電子鼻氣室內(nèi)的氣敏傳感器陣列相當(dāng)于鼻腔上的嗅上皮, 具有交叉敏感的化學(xué)傳感器則相當(dāng)于對(duì)多種氣味分子敏感的嗅神經(jīng)元,其作用都將氣味的化學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電信息;預(yù)處理的功能類似于嗅球內(nèi)信號(hào)的整合與增強(qiáng);模式識(shí)別原理,特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法,則一定程度上模擬了大腦皮層信息編碼、處理和存儲(chǔ)等過程。

 

 

氣敏傳感器陣列實(shí)現(xiàn)了氣味信息從樣品空間到測(cè)量空間的轉(zhuǎn)換，是電子鼻信息處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。不同傳感原理和制作工藝的氣敏傳感器豐富了電子鼻對(duì)氣味信息的獲取途徑，常用的有金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS),石英晶體微天平(QCM)、導(dǎo)電聚合物(CP)、 聲表面波(SAW)等。構(gòu)建陣列的傳感器除了應(yīng)該滿足響應(yīng)快且可逆、重復(fù)性好,靈敏度高等條件,還必須對(duì)各種氣味廣譜敏感(弱選擇性),并且陣列中各傳感器對(duì)同種氣味要交叉敏感,以保證從有限數(shù)量的傳感器中獲取更多的氣味信息。通常,從傳感器陣列中獲取的原始信號(hào)數(shù)據(jù)量很大,需要先對(duì)其進(jìn)行特征提取,將模式從較高維的測(cè)量空間變換到較低維的特征空間,而模式識(shí)別過程則是將特征空間劃分為分類空間的過程，它是電子鼻智能化的核心單元。

 

仿生電子鼻的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

 

仿生電子鼻是模擬人類的嗅覺系統(tǒng)，設(shè)計(jì)研制的一種智能電子儀器，可適用于許多系統(tǒng)中測(cè)量一種或多種氣味物質(zhì)的氣體敏感系統(tǒng)。其基本結(jié)構(gòu)與工作原理如下：

 

1、氣體傳感器陣列

 

它由具有廣譜響應(yīng)特性、較大的交叉靈敏度以及對(duì)不同氣體有不同靈敏度的氣敏元件組成。工作時(shí)氣敏元件對(duì)接觸的氣體能產(chǎn)生響應(yīng)并產(chǎn)生一定的響應(yīng)模式。他相當(dāng)于人類鼻子的嗅覺受體細(xì)胞。

 

2、信號(hào)預(yù)處理單元

 

它對(duì)傳感器的響應(yīng)模式進(jìn)行預(yù)加工，以達(dá)到漂移補(bǔ)償、信息壓縮和降低信號(hào)（ 隨樣品）起伏的目的，完成特征提取的任務(wù)。

 

3、模式識(shí)別單元

 

對(duì)信號(hào)預(yù)處理單元所發(fā)出的信號(hào)做進(jìn)一步的處理，完成對(duì)氣體信號(hào)定性和定量的識(shí)別。包括數(shù)據(jù)處理分析器、智能解釋器和知識(shí)庫。他相當(dāng)于人類的大腦。

 

仿生電子鼻在食品鑒評(píng)中的應(yīng)用

 

果蔬通過呼吸作用進(jìn)行新陳代謝而變熟，因此在不同的成熟階段，其散發(fā)的氣味會(huì)不一樣，所以可以通過聞其氣味來評(píng)價(jià)水果的成熟度。雖然人可通過嗅聞果蔬氣味來判別果蔬成熟度，但人類能夠感受出的氣味是有限的，特別是在區(qū)分相似的氣味時(shí)，人的辨別力受到了限制。通過一些理化指標(biāo)也可以檢測(cè)果蔬的成熟程度，但這些指標(biāo)的檢測(cè)都會(huì)損壞果蔬的完整性。應(yīng)用仿生電子鼻技術(shù)可對(duì)果蔬成熟度可進(jìn)行無損檢測(cè)?，F(xiàn)在仿生電子鼻無損檢測(cè)果蔬成熟度主要集中在梨、香蕉、柑橘、蘋果等水果上。仿生電子鼻除了在鑒評(píng)果蔬成熟度方面的應(yīng)用外，還可應(yīng)用到奶酪、肉制品等的成熟度鑒評(píng)方面。

 

 

仿生電子鼻在食品感官鑒評(píng)方面已有很多研究，但是他的實(shí)際應(yīng)用還不是很多，投入市場(chǎng)的產(chǎn)品也很少，不過，隨著科學(xué)技術(shù)和科學(xué)理念的不斷發(fā)展，仿生電子鼻作為一門新興技術(shù)，必將帶來更多、更大、更廣泛的應(yīng)用。

 

02 味覺仿生傳感器

 

味覺傳感器的機(jī)理

 

本世紀(jì)發(fā)展起來的測(cè)量味覺化學(xué)傳感器是離子選擇性電極選擇性發(fā)展的結(jié)果。然而,僅有幾種類型的這樣的化學(xué)傳感器可以成為選擇性的傳感器。最近十年,一個(gè)新的概念,即應(yīng)用一個(gè)非選擇性的味覺傳感器陣列和根據(jù)模式識(shí)別的特殊的數(shù)字信號(hào)處理方法(如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、主元分析PCA 等)作為模擬人和生物的電子舌, 已由俄羅斯的Yu.G .Vasov 教授等人在1995年提出,并列人了俄羅斯和意大利Damico教授的國際合作項(xiàng)目。其后,日本的TOKO教授等人也提出了類似的電子舌概念。

 

人的味蕾約有900個(gè),每個(gè)味蕾中包含有40 -60個(gè)味細(xì)胞。味蕾的大小約50µm-70µm,每一味蕾由支持細(xì)胞及5-18個(gè)毛細(xì)胞構(gòu)成,后者即為味覺感受器。每一感受器細(xì)胞有許多微絨毛突出于味孔,此為味蕾在舌頭上皮表面的開口,感受神經(jīng)纖維的無髓鞘末梢緊密纏繞感受器細(xì)胞。每一味蕾約有50 條神經(jīng)纖維, 而每一神經(jīng)纖維平均接受5 個(gè)味蕾的輸人。

 

 

研究不同味覺刺激在味感受器細(xì)胞和傳人神經(jīng)纖維引起的電反應(yīng)時(shí)得到的結(jié)果, 使我們對(duì)味覺信息編碼規(guī)律有較深入理解。在記錄單條味覺傳人纖維的傳人沖動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn),一條神經(jīng)并不只對(duì)一種基本味覺刺激起反應(yīng)。如對(duì)咸有反應(yīng)的纖維對(duì)酸也有反應(yīng),對(duì)酸有反應(yīng)的纖維對(duì)苦也有反應(yīng)等。這說明一種味道并不是簡(jiǎn)單的由一條或一組只對(duì)這一味道起反應(yīng)的纖維傳向中樞的。研究也發(fā)現(xiàn), 每個(gè)味覺細(xì)胞幾乎對(duì)四種基本味覺刺激都起反應(yīng), 但在同樣克分子濃度的情況下,只有一種刺激能引起最大的感受電位, 其他三類刺激則只引起幅度較小的感受電位。由此我們可得出結(jié)論, 中樞“判別”感受器受了何種刺激, 不可能單純根據(jù)來自對(duì)某種刺激的敏感性很好的那些傳月亙路的傳人信號(hào)的高低,而是必須同時(shí)對(duì)照來自那些對(duì)這一刺激并不敏感的傳入通路的傳入信號(hào)的高低。每種刺激在對(duì)四種基本刺激的敏感睦各不相同的傳人纖維上引起的傳入沖動(dòng)數(shù)量多少的組合形式是各有特異性的。由此可見,通過對(duì)于各具有一定特異性的信息通路的組合形式的對(duì)比,是中樞分辨外界刺激的某些屬性的基礎(chǔ)。

 

電子舌的機(jī)理及其分類

 

隨著國內(nèi)外對(duì)電子舌研究的深入, 有研究人員給電子舌定義為: 電子舌是由具有非專一性、弱選擇性、對(duì)溶液中不同組分(有機(jī)和無機(jī), 離子和非離子)具有高度交叉敏特性的傳感器單元組成的傳感器陣列, 結(jié)合適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法和多變量分析方法對(duì)陣列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 從而獲得溶液樣本定性定量信息的一種分析儀器。電子舌技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究開展的越來越廣泛。

 

根據(jù)不同的原理,電子舌(味覺傳感器)的類型主要有膜電位分析的味覺傳感器、伏安分析味覺傳感器、光電方法的味覺傳感器、多通道電極味覺傳感器、生物味覺傳感器、基于表面等離子共振(SPR)原理制成的味覺傳感器、凝膠高聚物與單壁納米碳管復(fù)合體薄膜的化學(xué)味覺傳感器、硅芯片味覺傳感器以及SH-SAW(Shear horizontal surface acoustic wave)味覺傳感器等。

 

膜電位分析味覺傳感器基本原理是在無電流通過的情況下測(cè)量膜兩端電極的電勢(shì), 通過分析此電勢(shì)差來研究樣品的特性。這種傳感器的主要特點(diǎn)是:操作簡(jiǎn)便、快速,能在有色或混濁試液中進(jìn)行分析,適用于酒類檢測(cè)系統(tǒng)。因?yàn)槟る姌O直接給出的是電位信號(hào),較易實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)定與自動(dòng)檢測(cè)。其最大的優(yōu)點(diǎn)是選擇性高, 缺點(diǎn)是檢測(cè)的范圍受到限制,如某些膜電極只能對(duì)特定的離子和成分有響應(yīng),另外,這種感應(yīng)器對(duì)電子元件的噪聲很敏感,因此,對(duì)電子設(shè)備和檢測(cè)儀器有較高的要求。

 

 

生物味覺傳感器是由敏感元件和信號(hào)處理裝置組成,敏感元件又分為分子識(shí)別元件和換能器兩部分,分子識(shí)別元件一般由生物活性材料,如酶、微生物及DNA等構(gòu)成。

 

多通道味覺傳感器用類脂膜構(gòu)成多通道電極制成的,多通道電極通過多通道放大器與多通道掃描器連接,從傳感器得到的電子信號(hào)通過數(shù)字電壓表轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),然后送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理?；谀z高聚物的單壁納米碳管復(fù)合體薄膜的化學(xué)傳感器,采用阻抗法測(cè)量傳感器在不同液體中的頻率響應(yīng),最后對(duì)數(shù)據(jù)用主成分分析法進(jìn)行模式識(shí)別，較好的區(qū)別酸、甜、苦、咸等味道。

 

電子舌技術(shù)在酒類識(shí)別中的應(yīng)用

 

俄羅斯長(zhǎng)期從事電子舌在酒類辨別和質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的研究。利用由30個(gè)傳感器陣列組成的電子舌檢測(cè)不同的礦泉水和葡萄酒, 能可靠地區(qū)分所有的樣品。重復(fù)性好, 兩周后再次測(cè)量結(jié)果無明顯的改變。再對(duì)33種品牌的啤酒進(jìn)行測(cè)試, 電子舌采集到的信息可以清楚地反映各種啤酒的味覺特征。這些樣品并不需要經(jīng)過預(yù)處理, 因此這種技術(shù)能滿足生產(chǎn)過程在線檢測(cè)的要求。2005年他又研究了基于伏安電化學(xué)傳感器的電子舌來區(qū)分伏特加酒、酒精和白蘭地酒。這種電子舌系統(tǒng)可以很好地檢測(cè)伏特加酒中是否有污染物存在, 并可以判斷其含量否超過國家安全標(biāo)準(zhǔn),它還可以辨別來自同一個(gè)廠家,不同的純度,不同添加物的十種規(guī)格的伏特加酒,可以區(qū)分人工合成的酒精和谷物釀造的酒精,以及它們的不同等級(jí)。此外,他還用這種電子舌對(duì)幾種不同的白蘭地酒,包括新釀造的和陳年的酒,用不同蒸餾方法生產(chǎn)的酒,甚至用不同的橡木酒桶裝的酒進(jìn)行了區(qū)分?？梢? 電子舌檢測(cè)是一種很有應(yīng)用前景的快速評(píng)價(jià)酒品質(zhì)的分析方法。

 

米酒品質(zhì)好壞評(píng)價(jià)主要基于口感、香氣和顏色3個(gè)因素,而對(duì)于口感的評(píng)價(jià)是二者中最難做到的。Satoru liyama等利用味覺傳感器和葡萄糖傳感器對(duì)日本米酒的品質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè), 該味覺傳感器陣列由8個(gè)類脂膜電極組成。利用主成分分析法進(jìn)行模式識(shí)別和降維, 最后顯示出兩維的信號(hào)圖,分別代表了滴定酸度和糖度含量,電子舌的信號(hào)輸出值與滴定酸度、糖度之間具有很大的相關(guān)性。由此,對(duì)米酒的甜度預(yù)測(cè)做出了數(shù)學(xué)模型。

 

電子舌技術(shù)在乳品工業(yè)中的應(yīng)用

 

 

來源不同的原料乳具有不同的品質(zhì),所以要把它們區(qū)分開來。F Winquist的研究表明利用伏安分析的電子舌(Voltammetric electronic tongue)可以對(duì)進(jìn)廠的原料乳進(jìn)行監(jiān)控。這些原料乳來自不同的農(nóng)場(chǎng)或農(nóng)戶,在運(yùn)輸過程中需要放在一個(gè)儲(chǔ)藏罐中,個(gè)別原料乳的污染,會(huì)導(dǎo)致大規(guī)模的原料乳污染。因此,檢測(cè)不合格原料乳的檢測(cè)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。不合格的原料乳包括發(fā)酸的、咸味過濃、有腥臭味、有雜質(zhì)的、氧化的、腐臭的和存在化學(xué)殘留的原料乳等。此外,不同飼料(如未干秣草、苜蓿、干草)喂養(yǎng)的奶牛產(chǎn)的奶也有差別,原料乳品質(zhì)的變化還具有季節(jié)性。電子舌可以來快速檢測(cè)所有不同來源的原料乳和不合格原料乳,這是一種非常有意義的安全檢測(cè)手段。

 

聽覺和視覺傳感器

 

聽覺傳感器主要指語音識(shí)別，它是將聲音信號(hào)經(jīng)過檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)，再通過信號(hào)處理來進(jìn)行識(shí)別。實(shí)現(xiàn)語音識(shí)別的集成電路典型型號(hào)有TMS320CSOPQ和TMS320CGBL等。聽覺傳感器的典型應(yīng)用是能使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)”對(duì)話。視覺傳感器是從整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計(jì)的像素點(diǎn)，通過對(duì)圖像的處理用來檢測(cè)對(duì)象的形狀、位置、方向及明暗等特征。它包括位置覺傳感器和色覺傳感器，主要是用電視攝像機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。通過色覺傳感器檢測(cè)對(duì)象物體的有無，再通過位置覺傳感器判斷對(duì)象物體的位置及形狀特征，最后通過計(jì)算機(jī)處理，提取并識(shí)別對(duì)象特征。接近覺傳感器是一種特殊的視覺傳感器，它只感知距離信息，根據(jù)距離信息判斷對(duì)象特征。

 

 

觸覺傳感器

 

觸覺也正在被人工仿真用于研制人工觸覺器。美國伊利諾斯大學(xué)的研究人員研制了一種像頭發(fā)一樣的觸覺傳感器。許多動(dòng)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)是利用性能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。這種人造發(fā)毛的大型陣列可用于空間探測(cè)器上,其探測(cè)周圍環(huán)境的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出當(dāng)今己有的任何系統(tǒng),美國宇航 局目前正積極參與這項(xiàng)研究。這種傳感器面臨的最大挑戰(zhàn)是產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量太大。為避開這一問題,研究人員首先研究和模仿了人類自身觸覺系統(tǒng)的工作。每個(gè)手指大約有2 0 0根神經(jīng),而且還有錯(cuò)綜復(fù)雜的表皮紋理,所以它產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量之多連大腦都難以處理。但是由于皮膚的彈性就像一個(gè)低通濾波器,能濾掉一些細(xì)枝末節(jié),所以才使大腦的這項(xiàng)處理簡(jiǎn)化可行。研究者正利用仿生技術(shù)解決人造毛發(fā)數(shù)據(jù)量過大的問題。

 

 

生物傳感器

 

生物傳感器是在基礎(chǔ)傳感器上在耦合一個(gè)生物敏感膜而形成的，是一類特殊的傳感器，它以生物活性單元（如酶、抗體、核酸、細(xì)胞等）作為生物敏感單元，對(duì)目標(biāo)測(cè)物具有高度選擇性的檢測(cè)器。生物傳感器是一門由生物、化學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)、電子技術(shù)等多種學(xué)科互相滲透成長(zhǎng)起來的高新技術(shù)。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復(fù)雜的體系中進(jìn)行在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，特別是它的高度自動(dòng)化、微型化與集成化的特點(diǎn)，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發(fā)展。在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。生物傳感器的研究開發(fā)，已成為世界科技發(fā)展的新熱點(diǎn)，形成21世紀(jì)新興的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，具有重要的戰(zhàn)略意義。

 

生物傳感器工作原理

 

生物傳感器由識(shí)別元件和信號(hào)轉(zhuǎn)換器組成。

 

 

以分子識(shí)別部分去識(shí)別被測(cè)目標(biāo)，是可以引起某種物理變化或化學(xué)變化的主要功能元件。分子識(shí)別部分是生物傳感器選擇性測(cè)定的基礎(chǔ)。換能器，是研制高質(zhì)量生物傳感器的另一重要環(huán)節(jié)。敏感元件中光、熱、化學(xué)物質(zhì)的生成或消耗等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化量。根據(jù)這些變化量，可以選擇適當(dāng)?shù)膿Q能器。 

 

 

上圖中生物可能膜上（或膜中）附著有生物傳感器的敏感物質(zhì)，被測(cè)量溶液中待測(cè)定的物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物敏感膜層，經(jīng)分子識(shí)別或發(fā)生生物反應(yīng)，其所產(chǎn)生的信息可通過相應(yīng)的化學(xué)或物理原理轉(zhuǎn)變成可定量和可顯示的電信號(hào)，通過電信號(hào)的分析就可知道被測(cè)物質(zhì)的成分或濃度，生物傳感器的生物功能膜起分子識(shí)別作用，它決定傳感器的選擇性。

 

生物傳感器分類

 

根據(jù)生物傳感器中分子識(shí)別元件即敏感元件可分為五類：酶?jìng)鞲衅?，微生物傳感器，?xì)胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應(yīng)用的敏感材料依次為酶、微生物個(gè)體、細(xì)胞器、動(dòng)植物組織、抗原和抗體。

 

根據(jù)生物傳感器的換能器即信號(hào)轉(zhuǎn)換器分類有：生物電極傳感器，半導(dǎo)體生物傳感器，光生物傳感器，熱生物傳感器，壓電晶體生物傳感器等，換能器依次為電化學(xué)電極、半導(dǎo)體、光電轉(zhuǎn)換器、熱敏電阻、壓電晶體等。

 

根據(jù)被測(cè)目標(biāo)與分子識(shí)別元件的相互作用方式進(jìn)行分類有生物親合型生物傳感器。

 

以上生物傳感器三種分類方法在實(shí)際應(yīng)用中互相交叉使用。

 

向大自然學(xué)習(xí)，向人體自身學(xué)習(xí)是仿生學(xué)永恒的主題, 也是仿生傳感技術(shù)的發(fā)展方向。我們目前進(jìn)行的工作是研究基于生物和芯片結(jié)合技術(shù)的仿生傳感器, 如嗅覺和味覺細(xì)胞的集成陣列芯片, 從而使我們有可能在細(xì)胞和分子水平上研究嗅覺和味覺的響應(yīng)和神經(jīng)傳導(dǎo)機(jī)理, 為仿生人工嗅覺和人工味覺的研制提供新的技術(shù)手段。同時(shí)細(xì)胞芯片技術(shù)還可用于研究仿生傳感器的神經(jīng)傳導(dǎo)機(jī)理和模型, 以及感受細(xì)胞的響應(yīng)過程的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)等。

 

目前，雖然已經(jīng)發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現(xiàn)性和可批量生產(chǎn)性明顯不足，所以仿生傳感技術(shù)尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現(xiàn)有的系列之外，生物活性膜的固定化技術(shù)和仿生傳感器的固態(tài)化值得進(jìn)一步研究。在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現(xiàn)，有可能超過人類五官的能力，完善目前機(jī)器人的視覺、味覺、觸覺和對(duì)目的物進(jìn)行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應(yīng)用的廣泛前景，但這些都需要生物技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，我們拭目以待。

 

 

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