【導讀】20世紀60年代,國際上興起一門新的綜合性學科一仿生學, 它是建立在生物學、電子學、生物物理學、控制論、人機學、數學、心理學以及自動化技術基礎上的, 利用電子學、機械技術研究生物結構, 對能量轉換和信息流動的過程進行模擬, 從而達到改善和創造嶄新的自動控制裝置的目標。
仿生傳感器是通過研究和利用生命有機體的分子和結構來設計和改進傳感器和工藝，使傳感器具有某些生物的獨特性能。其研究工作大部分是跨學科的，不但涉及基礎學科如物理、化學和生物學, 還涉及到一些專門學科, 如材料科學、電子工程學和計算機科學等。
仿生傳感器研究的目標是開發人體感覺器官的替代品，其特點是能夠模擬某些生物體功能, 像人體感覺器官那樣工作, 發出信息、產生響應。其應用領域遍及生物醫學中人體感受器官的診斷和修復、智能機器人、食品、環境、大氣污染的監測、軍事安全、化學和生物武器以及反恐怖等十分廣泛的領域。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和替代; 用于現場對食品和環境質量進行快速檢測和鑒別的電子鼻和電子舌。在化學和生物戰中, 仿生傳感器能對其所懷疑的病菌實行快速監控, 使人們盡早檢出病菌。在未來的小型、微型甚至納米機器人中, 如模擬蜜蜂、蝴蝶甚至嶂螂的小型機器昆蟲將配備眾多的仿生傳感器。
近年來, 隨著生物醫學和微電子加工技術的快速發展和人類生活質量的不斷提高, 用仿生技術研制各種具有感覺功能的用于損傷修復的人工器官得到子決速的發展。國際上仿生傳感器研究首先是從檢測和識別物理量開始的, 特別是在人工視覺、人工聽覺和人工觸覺的研究方面呈現非常活躍的局面。隨著生命科學和人工智能研究的快速發展, 使人們對探索和模仿動物及人類的嗅覺和味覺功能在技術上有了可能, 同時, 隨著生物醫學領域對體味、體液快速分析檢測和環境中微量、痕量元素檢測需要的增長, 人們對電子鼻和電子舌這類快速分析診斷儀器的需求日益增長。
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原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質與換能器相配合組成，基于生物學原理設計的可以感受規定待測物并按照一定規律轉換及輸出可用信號的器件或裝置，是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，由敏感元件和轉換元件組成，另外輔之以信號調整電路或電源等。這種傳感器是近年來生物醫學和電子學、工程學相互滲透而發展起來的一種新型的信息技術。
下圖為仿生傳感技術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可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞傳感器、組織傳感器等。
01 嗅覺仿生傳感器
我們知道，動物是憑借靈敏的鼻子來聞出各種各樣不同的氣體，并做出相應的生理反應的。我們的鼻腔內壁上雖然只有大約1000 個類似于氣敏傳感器的氣體接受細胞組，但它卻能辨別出種類達數以千計的不同氣味（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生是由多個嗅覺細胞組合起來共同對某種氣味進行“探測”的結果。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，因此動物能辨別大量不同的氣味。目前仿生嗅覺的研究趨勢是利用具有交叉式反應的氣敏元件組成一定規模的氣敏傳感器陣列來對不同的氣體進行信息提取，然后將這些大量復雜的數據交由計算機進行模式判別處理。
對于嗅覺的敏感機理,人們建立了許多模型, 但具體細節仍處于摸索中。國際上有關嗅覺和味覺的研究始于上世紀60年代。一方面, 生物學家、神經生理學家以及化學家,在嗅覺和味覺的神經傳導機理方面進行了長期的摸索和研究, 提出眾多的設想、模型和實驗分析, 如美國MIT大學的神經生理學家Freeman教授對嗅覺模型進行了幾十年的研究。另一方面, 從事分析化學、電子學、儀器科學等工程類的學者, 廣泛開展了有關氣體和離子傳感器的研究和儀器研制,在許多領域開發出了具有嗅覺和味覺部分功能的分析儀器。因此,目前國際上有關氣體檢測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驗室階段。
生物嗅覺機理
嗅覺對動物的生存至關重要,是其鑒別食物、選擇配偶、標記領地和躲避敵人等的重要信息來源,其他感覺系統無法替代。哺乳動物嗅覺感知由解剖和功能上獨立的兩部分完成,即犁鼻器系統和主嗅覺系統。前者主要接受信息素的刺激,引起機體內分泌變化,引發一系列生殖和社會行為。
自然界中的氣味通常是由多種不同結構和性質的氣味分子(odorant)組成的混合物，機體感受的是它們共同作用的綜合效應。 氣味感受器位于鼻腔上部的嗅上皮,主要由嗅神經元(OSN)、支持細胞和基底細胞等組成,其中嗅神經元是雙極細胞,它的樹突到達嗅上皮表面后末端變成圓形膨大,并發出數十根纖毛伸入表面黏液中。纖毛的質膜上存在氣味受體,它在氨基酸序列上具有7個螺旋狀跨膜結構,屬于G蛋白偶聯受體。氣味受體基因是成員數目龐大的超家族, 但每個嗅神經元只表達其中一種受體基因。嗅上皮存在4個獨立的空間區域,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域,但在特定區域內含不同氣味受體的嗅神經元又隨機分布,以提高對嗅質各個方位上的敏感性。氣味分子與受體是以某些化學官能團的配位方式作用的, 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元。“專一表達、分區排列、隨機分布、交叉配位”的特點讓機體在嗅上皮中完成了對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
電子鼻是受生物嗅覺原理的啟發,將現代傳感技術、電子技術和模式識別技術等工程手段緊密結合研制成的新穎仿生檢測儀器.通常,樣品揮發的氣味與陣列中多個氣敏傳感器反應,將化學信號轉換成電信號,然后經過一系列放大降噪調理、基線校準或歸一化等預處理過程,獲取并增強該樣品所對應的綜合指紋信息,再從中提取合適的特征輸入到特定的模式識別算法,最終完成對樣品的定性或定量辨識。
與生物嗅覺的結構和功能相比較,電子鼻氣室內的氣敏傳感器陣列相當于鼻腔上的嗅上皮, 具有交叉敏感的化學傳感器則相當于對多種氣味分子敏感的嗅神經元,其作用都將氣味的化學信息轉換為電信息;預處理的功能類似于嗅球內信號的整合與增強;模式識別原理,特別是人工神經網絡(ANN)方法,則一定程度上模擬了大腦皮層信息編碼、處理和存儲等過程。
氣敏傳感器陣列實現了氣味信息從樣品空間到測量空間的轉換，是電子鼻信息處理的關鍵環節。不同傳感原理和制作工藝的氣敏傳感器豐富了電子鼻對氣味信息的獲取途徑，常用的有金屬氧化物半導體(MOS),石英晶體微天平(QCM)、導電聚合物(CP)、 聲表面波(SAW)等。構建陣列的傳感器除了應該滿足響應快且可逆、重復性好,靈敏度高等條件,還必須對各種氣味廣譜敏感(弱選擇性),并且陣列中各傳感器對同種氣味要交叉敏感,以保證從有限數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數據量很大,需要先對其進行特征提取,將模式從較高維的測量空間變換到較低維的特征空間,而模式識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構與工作原理
仿生電子鼻是模擬人類的嗅覺系統，設計研制的一種智能電子儀器，可適用于許多系統中測量一種或多種氣味物質的氣體敏感系統。其基本結構與工作原理如下：
1、氣體傳感器陣列
它由具有廣譜響應特性、較大的交叉靈敏度以及對不同氣體有不同靈敏度的氣敏元件組成。工作時氣敏元件對接觸的氣體能產生響應并產生一定的響應模式。他相當于人類鼻子的嗅覺受體細胞。
2、信號預處理單元
它對傳感器的響應模式進行預加工，以達到漂移補償、信息壓縮和降低信號（ 隨樣品）起伏的目的，完成特征提取的任務。
3、模式識別單元
對信號預處理單元所發出的信號做進一步的處理，完成對氣體信號定性和定量的識別。包括數據處理分析器、智能解釋器和知識庫。他相當于人類的大腦。
仿生電子鼻在食品鑒評中的應用
果蔬通過呼吸作用進行新陳代謝而變熟，因此在不同的成熟階段，其散發的氣味會不一樣，所以可以通過聞其氣味來評價水果的成熟度。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，特別是在區分相似的氣味時，人的辨別力受到了限制。通過一些理化指標也可以檢測果蔬的成熟程度，但這些指標的檢測都會損壞果蔬的完整性。應用仿生電子鼻技術可對果蔬成熟度可進行無損檢測。現在仿生電子鼻無損檢測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果蔬成熟度方面的應用外，還可應用到奶酪、肉制品等的成熟度鑒評方面。
仿生電子鼻在食品感官鑒評方面已有很多研究，但是他的實際應用還不是很多，投入市場的產品也很少，不過，隨著科學技術和科學理念的不斷發展，仿生電子鼻作為一門新興技術，必將帶來更多、更大、更廣泛的應用。
02 味覺仿生傳感器
味覺傳感器的機理
本世紀發展起來的測量味覺化學傳感器是離子選擇性電極選擇性發展的結果。然而,僅有幾種類型的這樣的化學傳感器可以成為選擇性的傳感器。最近十年,一個新的概念,即應用一個非選擇性的味覺傳感器陣列和根據模式識別的特殊的數字信號處理方法(如人工神經網絡、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,每個味蕾中包含有40 -60個味細胞。味蕾的大小約50µm-70µm,每一味蕾由支持細胞及5-18個毛細胞構成,后者即為味覺感受器。每一感受器細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,感受神經纖維的無髓鞘末梢緊密纏繞感受器細胞。每一味蕾約有50 條神經纖維, 而每一神經纖維平均接受5 個味蕾的輸人。
研究不同味覺刺激在味感受器細胞和傳人神經纖維引起的電反應時得到的結果, 使我們對味覺信息編碼規律有較深入理解。在記錄單條味覺傳人纖維的傳人沖動時發現,一條神經并不只對一種基本味覺刺激起反應。如對咸有反應的纖維對酸也有反應,對酸有反應的纖維對苦也有反應等。這說明一種味道并不是簡單的由一條或一組只對這一味道起反應的纖維傳向中樞的。研究也發現, 每個味覺細胞幾乎對四種基本味覺刺激都起反應, 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。由此我們可得出結論, 中樞“判別”感受器受了何種刺激, 不可能單純根據來自對某種刺激的敏感性很好的那些傳月亙路的傳人信號的高低,而是必須同時對照來自那些對這一刺激并不敏感的傳入通路的傳入信號的高低。每種刺激在對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數量多少的組合形式是各有特異性的。由此可見,通過對于各具有一定特異性的信息通路的組合形式的對比,是中樞分辨外界刺激的某些屬性的基礎。
電子舌的機理及其分類
隨著國內外對電子舌研究的深入, 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、對溶液中不同組分(有機和無機, 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, 結合適當的模式識別算法和多變量分析方法對陣列數據進行處理, 從而獲得溶液樣本定性定量信息的一種分析儀器。電子舌技術在食品領域的應用研究開展的越來越廣泛。
根據不同的原理,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合體薄膜的化學味覺傳感器、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量膜兩端電極的電勢, 通過分析此電勢差來研究樣品的特性。這種傳感器的主要特點是:操作簡便、快速,能在有色或混濁試液中進行分析,適用于酒類檢測系統。因為膜電極直接給出的是電位信號,較易實現連續測定與自動檢測。其最大的優點是選擇性高, 缺點是檢測的范圍受到限制,如某些膜電極只能對特定的離子和成分有響應,另外,這種感應器對電子元件的噪聲很敏感,因此,對電子設備和檢測儀器有較高的要求。
生物味覺傳感器是由敏感元件和信號處理裝置組成,敏感元件又分為分子識別元件和換能器兩部分,分子識別元件一般由生物活性材料,如酶、微生物及DNA等構成。
多通道味覺傳感器用類脂膜構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通過數字電壓表轉化為數字信號,然后送入計算機進行處理。基于凝膠高聚物的單壁納米碳管復合體薄膜的化學傳感器,采用阻抗法測量傳感器在不同液體中的頻率響應,最后對數據用主成分分析法進行模式識別，較好的區別酸、甜、苦、咸等味道。
電子舌技術在酒類識別中的應用
俄羅斯長期從事電子舌在酒類辨別和質量評價方法的研究。利用由30個傳感器陣列組成的電子舌檢測不同的礦泉水和葡萄酒, 能可靠地區分所有的樣品。重復性好, 兩周后再次測量結果無明顯的改變。再對33種品牌的啤酒進行測試, 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過預處理, 因此這種技術能滿足生產過程在線檢測的要求。2005年他又研究了基于伏安電化學傳感器的電子舌來區分伏特加酒、酒精和白蘭地酒。這種電子舌系統可以很好地檢測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準,它還可以辨別來自同一個廠家,不同的純度,不同添加物的十種規格的伏特加酒,可以區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。此外,他還用這種電子舌對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的酒,甚至用不同的橡木酒桶裝的酒進行了區分。可見, 電子舌檢測是一種很有應用前景的快速評價酒品質的分析方法。
米酒品質好壞評價主要基于口感、香氣和顏色3個因素,而對于口感的評價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日本米酒的品質進行了檢測, 該味覺傳感器陣列由8個類脂膜電極組成。利用主成分分析法進行模式識別和降維, 最后顯示出兩維的信號圖,分別代表了滴定酸度和糖度含量,電子舌的信號輸出值與滴定酸度、糖度之間具有很大的相關性。由此,對米酒的甜度預測做出了數學模型。
電子舌技術在乳品工業中的應用
來源不同的原料乳具有不同的品質,所以要把它們區分開來。F Winquist的研究表明利用伏安分析的電子舌(Voltammetric electronic tongue)可以對進廠的原料乳進行監控。這些原料乳來自不同的農場或農戶,在運輸過程中需要放在一個儲藏罐中,個別原料乳的污染,會導致大規模的原料乳污染。因此,檢測不合格原料乳的檢測是一個重要環節。不合格的原料乳包括發酸的、咸味過濃、有腥臭味、有雜質的、氧化的、腐臭的和存在化學殘留的原料乳等。此外,不同飼料(如未干秣草、苜蓿、干草)喂養的奶牛產的奶也有差別,原料乳品質的變化還具有季節性。電子舌可以來快速檢測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手段。
聽覺和視覺傳感器
聽覺傳感器主要指語音識別，它是將聲音信號經過檢測轉換電路轉化為相應電信號，再通過信號處理來進行識別。實現語音識別的集成電路典型型號有TMS320CSOPQ和TMS320CGBL等。聽覺傳感器的典型應用是能使機器人實現“人—機”對話。視覺傳感器是從整幅圖像捕獲光線的數以千計的像素點，通過對圖像的處理用來檢測對象的形狀、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和計算機技術來實現的。通過色覺傳感器檢測對象物體的有無，再通過位置覺傳感器判斷對象物體的位置及形狀特征，最后通過計算機處理，提取并識別對象特征。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，根據距離信息判斷對象特征。
觸覺傳感器
觸覺也正在被人工仿真用于研制人工觸覺器。美國伊利諾斯大學的研究人員研制了一種像頭發一樣的觸覺傳感器。許多動物和昆蟲都能用其毛發辨別許多不同事物,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。這種人造發毛的大型陣列可用于空間探測器上,其探測周圍環境的能力遠遠超出當今己有的任何系統,美國宇航 局目前正積極參與這項研究。這種傳感器面臨的最大挑戰是產生的數據量太大。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的工作。每個手指大約有2 0 0根神經,而且還有錯綜復雜的表皮紋理,所以它產生的數據量之多連大腦都難以處理。但是由于皮膚的彈性就像一個低通濾波器,能濾掉一些細枝末節,所以才使大腦的這項處理簡化可行。研究者正利用仿生技術解決人造毛發數據量過大的問題。
生物傳感器
生物傳感器是在基礎傳感器上在耦合一個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、細胞等）作為生物敏感單元，對目標測物具有高度選擇性的檢測器。生物傳感器是一門由生物、化學、物理、醫學、電子技術等多種學科互相滲透成長起來的高新技術。因其具有選擇性好、靈敏度高、分析速度快、成本低、在復雜的體系中進行在線連續監測，特別是它的高度自動化、微型化與集成化的特點，使其在近幾十年獲得蓬勃而迅速的發展。在國民經濟的各個部門如食品、制藥、化工、臨床檢驗、生物醫學、環境監測等方面有廣泛的應用前景。生物傳感器的研究開發，已成為世界科技發展的新熱點，形成21世紀新興的高技術產業的重要組成部分，具有重要的戰略意義。
生物傳感器工作原理
生物傳感器由識別元件和信號轉換器組成。
以分子識別部分去識別被測目標，是可以引起某種物理變化或化學變化的主要功能元件。分子識別部分是生物傳感器選擇性測定的基礎。換能器，是研制高質量生物傳感器的另一重要環節。敏感元件中光、熱、化學物質的生成或消耗等會產生相應的變化量。根據這些變化量，可以選擇適當的換能器。
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，被測量溶液中待測定的物質經擴散作用進入生物敏感膜層，經分子識別或發生生物反應，其所產生的信息可通過相應的化學或物理原理轉變成可定量和可顯示的電信號，通過電信號的分析就可知道被測物質的成分或濃度，生物傳感器的生物功能膜起分子識別作用，它決定傳感器的選擇性。
生物傳感器分類
根據生物傳感器中分子識別元件即敏感元件可分為五類：酶傳感器，微生物傳感器，細胞傳感器，組織傳感器和免疫傳感器。顯而易見，所應用的敏感材料依次為酶、微生物個體、細胞器、動植物組織、抗原和抗體。
根據生物傳感器的換能器即信號轉換器分類有：生物電極傳感器，半導體生物傳感器，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電極、半導體、光電轉換器、熱敏電阻、壓電晶體等。
根據被測目標與分子識別元件的相互作用方式進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際應用中互相交叉使用。
向大自然學習，向人體自身學習是仿生學永恒的主題, 也是仿生傳感技術的發展方向。我們目前進行的工作是研究基于生物和芯片結合技術的仿生傳感器, 如嗅覺和味覺細胞的集成陣列芯片, 從而使我們有可能在細胞和分子水平上研究嗅覺和味覺的響應和神經傳導機理, 為仿生人工嗅覺和人工味覺的研制提供新的技術手段。同時細胞芯片技術還可用于研究仿生傳感器的神經傳導機理和模型, 以及感受細胞的響應過程的動態實時檢測等。
目前，雖然已經發展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以仿生傳感技術尚處于幼年期，因此，以后除繼續開發出新系列的仿生傳感器和完善現有的系列之外，生物活性膜的固定化技術和仿生傳感器的固態化值得進一步研究。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，有可能超過人類五官的能力，完善目前機器人的視覺、味覺、觸覺和對目的物進行操作的能力。我們能夠看到仿生傳感器應用的廣泛前景，但這些都需要生物技術的進一步發展，我們拭目以待。
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