嗅觉仿生学

仿生嗅觉系统

班级：生11本1

姓名：廖护婕

学号：1109210139

指导老师：李绥安

仿生嗅觉系统

摘要：仿生嗅觉系统也叫做“电子鼻”，在国防、军事、工业、环保、卫生、安全等诸多领域具有广泛的应用前景。传统的电子鼻是通过对气体传感器阵列的信号响应进行分析从而获取待测气体的种类、浓度、成分等信息。仅仅实现这些功能尚不能满足人们对于电子鼻的需求。因此，近年来研究人员纷纷开始研究如何利用电子鼻来判断气味的方位或者利用搭载有电子鼻的移动机器人来寻找味源的位置。这类电子鼻也就是本文所要研究的味源定位系统。常见做法是设计一个带有分布气体传感器的气味罗盘，利用传感器信号响应差异来判断气味的方向。

关键词：仿生嗅觉味源定位

机器嗅觉是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿生检测技术，机器嗅觉系统通常由交叉敏感的化学传感器阵列和适当的计算机模式识别算法组成，可用于检测、分析和鉴别各种气味。

气味分子被机器嗅觉系统中的传感器阵列吸附，产生电信号；生成的信号经各种方法加工处理与传输；将处理后的信号经计算机模式识别系统做出判断。

机器嗅觉历史

人类思索气味的问题至少可以追溯到公元前4世纪的古希腊时代。亚里士多德认为，气味是有气味的物质发出的辐射，被我们感觉到。比亚里士多德稍晚的另一位希腊学者伊壁鸠鲁，在德谟克利特的原子论的基础上解释了嗅觉：不同形状的原子让鼻子感觉到不同的味

道。事实上，人类对气味的追索在一定程度上改变了人类的历史。而且，在人类漫长的进化历史中，感知气味这一功能也影响过我们的命运。

世界上不存在非气味物质。气味是物质的外部特征，能准确地代表物质的本质。无论是高级动物或是低级动物，都具有对周围环境的化学刺激——气味进行感知并做出适当反应的能力。仅以人类自身来说，其日常生活和生产活动都与周围的大气环境密切相关，大气的变化对人类有极大的影响。随着工业规模逐渐扩大，产品的种类不断增多，气体原料和生产过程中产生的气体种类和数量不断境加，环境污染已逐渐影响到人类的生存。任何生物的嗅觉都有一定的感知范围，也必有它的盲区。生物嗅觉的感知范围，仅仅与它的生存需要有关，与生存有益的为正相关，与生存有害的为负相关，与生存无关的气味是它的盲区。也有特殊情况，如氧气、水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳与生存相关，而人对它们无感觉，是因为它们一直存在于空气中，人们不需要刻意寻求或防范它们，所以人的嗅觉中枢删除了它们的气味信号。对人类生存和生产环境中的各种气、气味进行准确的检测是必要的。

随着社会发展须要与科学技术的进步，人类对生物器官机理的研究已经日趋成熟。诸如视觉、听觉、味觉、触觉和嗅觉等生物感官功能的模仿己经被各国科学家广泛研究。人类对嗅觉的研究从最早的化学分析方法发展到仪器分析方法，经历了近百年的发展，仿生嗅觉技术的物质识别能力越来越强，识别率也逐步提高。

在气体、气味的化学成分定性、定量分析过程中，主要使用化学方法与仪器分析方法。化学方法利用化学物质自身的化学性质进行定性和定量分析，主要是基于人们对已有物质的化学性质上的分析。这一类型的分析通常可以进行小范围内的物质定性和微量物质的定量。随着化学这门学科及其分支的发展，大量新的化学物质的发现和被合成，传统的化学分析方法已经不适合物质识别和分析。

仪器分析方法从某种意义上来说是与化学方法独立的，它是建立在物理基础之上，主要是建立在光波这一与物质微观层相关的研究或物质分离基础之上的。主要的仪器分析方法有分光光度、红外光谱、紫外光谱、核磁共振、质谱、原子吸收光谱、气相色谱、高压液相色谱等等。仪器分析方法使用物质识别的根据不单单是物质的化学性质，还包括物质在物理和化学中共同表现出来的性质。由于使用了仪器分析检测方法，所以可以使检测灵敏度提高、检测下限也大大下降。但此类设备结盟构复杂、操作烦琐，经常被对象进行预处理，导致测试周期加长，而且还存在着不能连续检测等缺点。另外，作为化学成分分析仪器，它们用于气体分析是卓有成效的，但用于气味质量分析却不佳，甚至没能为力。例如，酒的香气质量是多种致香成分的综合反映，完全测出这些成分不仅非常复杂，还要花费很多时间和费用，有些成分含量极低，测试非常困难。许多气体，其组成的大多数处于气相色谱仪等仪器的检测范围之外，并且气味分子的化学性质与嗅觉效应之间的关系依然是一个“黑箱”，仅用测量出的几种化学成分不能全面地表达被测物质的质量。

以往传统的嗅觉感官的仿生大多只是简单的物质气味的测量，测量方法停留在化学分析方法和仪器分析方法，可是对于一些痕量（相对含量极为微小）物质及复杂物质的分析，特别是许多含有不同气味的痕量物质，还只能停留在人的嗅觉直接测量，这就需要大量的时间和物力来培养专门识别气味的专家。目前，酒类、茶叶等食品的质量主要是靠人的感官来进行判断，感官评定主要依赖人的生理和心理条件，其本身是一门精巧的技术。这类工作通常需要训练有素、经验丰富的专家来进行。但人工鉴别带有很大的主观因素，从某种意义上来说，由于受到经验、情绪等主观因素的影响，感官评定方法的评判结果随鉴别人员的不同而存在相当大的个体差异，即使是同一人员也会随其自身身体状态、情绪变化等的不同而产生不同的结果。由此可见，人的感觉器官的缺点包括主观性、重复性差、耗时长和花费人力巨大等，另外，人的感觉器官不能用于检测有毒气体、连续工作和远程操作。

机器人仿生嗅觉即模仿生物嗅觉追踪行为，利用移动机器人主动地确定气味、气体源位置的过程，和被动气味、气体感知系统不同，属于主动感知系统，它可以感知并跟踪，最终确定气味、气体的源头。研究利用机器人仿生嗅觉技术对解决搜寻爆炸物、检测毒品、灾后搜救遇难者、检测有毒气体、保安巡逻、火灾报警、危险品储罐及其管道的检测与维修等公共安全问题具有重大的理论意义和实际应用价值。机器人在完成以上各项不同工作时，最关键的问题就是要对味源进行搜索、定位、识别。对于生物来讲，嗅觉不仅仅用于捕食，在寻

找伙伴、交配、标定领土、识别家庭成员、避免天敌攻击、群居动物协调行动、寻找筑巢原料、在陌生环境导航、寻找寄宿主等方面也起着决定性作用。在尚未完全清楚动物的嗅觉机理前提下，采用模仿动物嗅觉行为的方法，可以为研究机器人味源定位问题提供帮助。

由于生物嗅觉跟踪行为简单而有效,对机器人仿生主动嗅觉策略进行了深入研究，为应用移动机器人完成各种与气味搜索相关的危险工作奠定了基础。现在的创新性工作包括:

1、在分析扁形虫的动态刺激反应和生物的趋激性行为基础上,提出一种基于动态刺激反应和趋激性仿生行为的主动嗅觉策略,该策略不依靠嗅觉传感器的绝对浓度,而根据浓度的变化率来决定机器人的搜索方向和步长,并且不依赖于风向信息,提高了机器人的搜索效率和环境适应能力。策略分为仿生嗅觉搜索模块,避障模块,味源识别模块,采用基于规则的专家系统智能决策算法,根据传感器实时的信息变化,使机器人执行相应的动作模块。避障模块采用模糊控制。

2、根据飞蛾等生物在味源附近的环绕行为,提出了基于环绕行为的仿生味源识别策略,该策略能够只依靠目标附近嗅觉信息,对目标是否为味源进行准确判定。该策略设计简单,不受环境条件的限制,仿真和实验均证明是一种有效的味源识别策略。

3、在分析漂泊信天翁捕猎行为基础上,提出了一种基于漂泊信天翁捕猎行为的机器人仿生主动嗅觉策略。策略采用基于主动感知行为的智能决策算法,使机器人能够根据实时采集的多种传感器信息,利用冲突抑制规则,自主选择“Z”形搜索、逆风搜索、视觉趋近等不同