基于仿生嗅觉的气味网络化传输机理的研究与探索

湖南铁道职业技术学院，湖南 株洲 412000

一、前言

嗅觉是人体视、听、味、触、嗅五种感官的一种，视觉和听觉发展成后来的光学和声学，而触觉也产生了各种各样的不同物理量，唯有味觉和嗅觉的研究起源较晚，产生的机理也复杂，人们对其缺少足够的理论认识和指导，目前对味觉和嗅觉的研究还处在朦胧阶段，研究难度非同一般。

虽然人们认为嗅觉不如听觉、视觉来的重要，但是“嗅觉”是人类与生俱有的感知方式之一，人们在社会生活的许多环境中，都有通过“嗅觉”感知信息的需要，因此“嗅觉”所扮演的角色是不容忽视的。

气味学是研究嗅觉的学科，一直以来，科学家和研究者们对其捉摸不透，想有所突破却又无从下手，对气味的研究仅仅局限于非常有限的范围之类。然而近30年以来，互联网技术已经发生了翻天覆地的变化，在加强人与人异地沟通和联系方面取得了重大进展，遗憾的是人们除了可以“听”到的，大量的信息是通过眼睛“看”来的，也就是说目前在通信网上通过“多媒体”终端，我们只能获取“听觉”和“视觉”信息，人们通过气味而感知的“嗅觉”，却在信息通信的飞速发展中被冷落了，可以说，“多媒体”并没有给人类带来更多的“感觉”。因此，在人们对网络通信的需求进一步扩大的今天，人们不得不静下心来思考下一个发展热潮：通过互联网发送和接收气味信息，也就是所谓的气味网络化传输。

二、气味的网络化传输概述

随着科学技术的不断进步，计算机嗅觉研究也将飞速发展起来，通过网络传输气味是可以实现的。因为不管何种气味都有其特定的性质，都能与某些物质发生反应，这种反应可以是物理的也可以是化学的，从而造成物理量质量、颜色或电特性等发生变化，进而可以转换成电信号，为网络化传输提供了可能[1-2]。这一技术的实现必将引发一场新的科技革命，特别是在网络已经成为人们生活中不可或缺内容的今天和未来，气味网络化的实现将带来广阔的应用前景：

1、随着电子商务的不断发展，气味网络传输可以优化消费者对网络商品的选择，特别是容易变质的商品，以提高消费者对商品的信誉度，保障食品安全；

2、作案分析，特别是缉毒防爆方面，警方可以通过安装气味识别装置，利用网络及时传递作案人员及其携带的气味信息，使涉案人员防不胜防；

3、观看有声、有色、有味的电影，让观众有身临其境的感觉[3]；

4、家居智能化，人们通过网络可以随意地选择喜欢的味道，净化居室的空气，大量工作后放松压抑的心情；

5、在图像声音的基础上增加气味信息，让电子广告效益更胜一筹；

6、世界零距离，身处异国他乡，网络可以让你感受到家乡的味道；

7、医疗领域中对患者病理诊断数据的跨省或跨国的传输和监测，实现远程分析和会诊；

8、能够在国家或世界范围内对环境监测数据进行集中分析与统计；

9、独特的气味能够刺激大脑细胞，从而提高学习工作效率，使远程教育以及计算机工作者神清气爽、活力焕发。

另外，在公共安全和国防军事方面，气味网络化也有广阔的应用前景。总之，气味网络化的潜在经济价值是无法用数字来衡量的，对气味网络化技术进行探索和研究势在必行。

三、气味网络传输研究进展

气味信息的传输已受到国内外一些研究机构的重视，对于电信终端产品来讲，气味信息传输是一个极有引力的拓荒区，科学家们从不同的途径进行了探索。目前有关气味传输的研究和应用主要集中在“电脑+气味发生器”的形式，让电脑发出指令，气味发生器接收指令后做出响应，激活其内置气味源的气体，从而产生人们所需的各种气味。对于气味的网络传输而言，其实在网络中传送的也只是数字信息，就像声音和图像一样，只有在接收终端安装了气味发生装置，气味才能重现[3-4]。

气味信息传输系统主要由气味信息发送终端、交换和传输、气味信息接收终端三部分构成，气味信息发送终端就是将“气味探头”与“气味分析编码装置”合并在一起，这就是目前电子传感技术开发中应用最广泛的“电子鼻”技术，它能够模拟生物的嗅觉机能，也称为人工嗅觉系统[5]。

早在1961年，Moncrieff就研制出了一种气味检测装置，该装置是机械式的，开创了人类对仿生嗅觉研究的先河；1964年Wilkens和Hatman利用气味分子在电极上发生的氧化还原反应的原理研制出了第一个“电子鼻”；1965年，Buck 和Dravieks等人利用调制电导和气味调制接触电位研制出的“电子鼻”也作了相关报道[6-7]。然而，多年来由于科学家们缺少对生物嗅觉系统的结构组成和工作机理的了解，仿生嗅觉的研究一直进展缓慢。直到1982年，英国Warwick大学的学者模仿哺乳动物嗅觉系统的结构和机理提出了Sensor Array Technology，即阵列传感器技术的概念，其基本思想是用有限个特性不同的气敏传感器模拟动物鼻腔内上皮嗅觉细胞的气体感受器结构，组成交叉式阵列传感器模块来感受混合气体，并产生不同的相应信号而表征混合气体的综合成分。从那以后，对于仿生嗅觉系统的研究便有了较快的发展[7]。

气味信息发送终端（电子鼻）是气味信息传输的关键技术环节，一种理想的电子鼻一旦研制成功，将是信息终端技术的一大进步。在这一领域，我国在上世纪末已经展开研究，建立了一部分气味库，并对特定的一种或几种气味能定性分析，主要的研究单位有浙江大学、中国科技大学、广东工业大学、东南大学等，但是大多数研究还处在实验室阶段，在电子鼻商业化发展上与国际水平差距较大。例如广东工业大学仿生嗅觉实验室的实验设备 Cyrannose 230，是目前市场上第一种基于高分子聚合物材料传感器基础上的便携式电子鼻， 它能够快速、准确地确定在食品生产和包装过程中，食品的新鲜程度、污染情况，以及批量产品的一致性[8]。

国外对气味网络化传输的研究起步很早，以色列的著名科学家巴威·哈尔和科隆·兰舍历经三年多的时间研究出了“味觉传输”数学公式，将“加密”的味觉信息通过计算机网络传送，终端则可让人“闻到”香味。美国科学家研制的一种神奇的能发出气味的“芳香屋”，根据互联网传送的数字指令，通过香味合成装置中内置的气味源，合成指定的挥发性液体，这样气味就可以通过互联网相互传播了。日本化妆品资生堂公司也在研发一种能根据电脑程序，通过特定装置散发特定的气味的互联网传输香水气味的装置[9]。

四、气味网络化传输技术探索

本文中以仿生嗅觉技术为基础，运用信号传感技术和计算机网络技术相结合的方法，通过“气味信息的采集与处理—气味远距离电子传输—气味信息复原”来探讨气味的互联共享，气味网络化传输示意图如图1 所示 。

气味网络化传输可以简单的理解为“气味信息的采集与处理—气味网络传输—气味信息的处理与还原”过程。要实现这一过程，需要突破的技术难关主要是气味信息的获取和还原，拟采取对气味信息采取构建指纹图谱，从而对图谱信息进行编码和解码，最后借鉴三原色重现图像的方法和原理来重现精确有效的气味信息，这一传输机理的研究思想具有极度的原创性和创新性，将对气味网络化领域的发展起到不可替代的推动作用。

1、物质气味信息采集指纹图谱构建

物质气味采集与预处理：将物质样品由自动进样器对样品瓶自行振动及加温，产生具有重复性的顶空，然后样品气味通过顶空进入内置预浓缩器后，自动传递到阵列式嗅觉传感器。

建立仿生嗅觉系统装置：根据物质样品气味特点，采用自动进样及内浓缩装置，选择合适的集成阵列式嗅觉传感器，对气味信息进行采集。软件上采用自动诊断、自动校准和数字滤波等技术，保证有效消除系统信号噪声，以便建立减少气味编码误差。

构建指纹图谱：运用人工智能、神经网络和模式识别等技术，对不同样品的气味数据进行处理并形成气味指纹图谱。

2、气味信息编码、解码和网络传输

指纹图谱信息的编码、解码和传输是实现气味网络传输过程中极其重要的一环。其基本路线为：指纹图谱上的信息经信号处理模块（可用DSP）采集后传送至微处理器中，微处理器根据相应的网络协议，将信号封装成帧，按照目的地址，通过网络接口发布到网络上，在接收端，微处理器通过网络接口重新将帧根据相应的网络协议还原成指纹图谱信息。

3、用气味发生器实现气味还原

气味发生装置由微处理器和气味源组成，微处理器根据传送过来的气味的指纹图谱识别出该气体的成份和浓度，进而调用气味源，使相应的气味原料按比例配合，从而实现气味还原。

本系统气味发送端采用仿生嗅觉系统实验装置，在信号检测上，采用集成阵列式嗅觉传感器，检测气味中所包含的各种成分和浓度，从而获得气味的总体信息；在信号处理上，采用人工智能技术对气味信息进行学习（如同人脑的学习、思维和分析），从而建立起气味指纹图谱。在气味传输过程中，实质上是将气味信息转化为一种由数字组成的化学“指纹”，这些数字信息通过互联网送出后，接收方可以通过他们研制的气味发生器，按要求选择气味源的成份和比例产生气味，其产出的气味将使人的大脑做出“虚拟反应”，认为自己闻到的就是原本应该有的味道，从而实现气味还原。

本系统采用了样本预处理、阵列传感器、信号处理、网络实时传送等关键技术，以仿生嗅觉技术为基础，采用标准化的网络协议和模块化结构将电子鼻、微处理器及网络通信技术有机地结合起来。

五、结束语

综上所述，随着仿生嗅觉技术的进步，对气味信息的进一步研究和探索，我们将迎来一个数字化的网络，这个网络不仅数字化了视觉、听觉，而且还将数字化嗅觉，利用仿生学方法对不同的气味进行识别和记忆，建立气味指纹图谱编码，采用网络对气味信息进行传输，并实现气味还原，这种将仿生嗅觉传感技术、气味发生技术以及网络通信技术三者结合实现气味网络传输，必将是数字通信时代一种技术创新。