一文尽览“电子鼻技术”

Original 好文分享机器智能研究MIR 2022-12-11

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电子鼻是模拟动物嗅觉器官开发出的一种高科技产品，响应时间短、检测速度快、重复性好，其应用场合囊括环境监测、产品质量检测、医学诊断、爆炸物检测等。随着生物芯片、生物技术的发展、集成化技术的提高及一些纳米材料的应用，电子鼻还将有更广阔的应用前景。4月，IJAC最新发表综述，一文尽览电子鼻技术的软件算法、硬件组件、应用领域及未来发展，全文开放获取！

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中文导读

创新的关键在于灵感：图像处理的兴起受视觉启发，而电子鼻(electronic nose, EN)，又称气味传感器、多传感器阵列(multi-sensor array)、人工鼻(artificial nose)、嗅觉系统(odorsensing system)、电子嗅觉测量器(electronic olfactometry)等，其发明则受嗅觉的启发。嗅觉系统可帮助生物更好地感知环境、发现潜在的危险、识别及区分食物。

图片来源网络

从技术层面，因为气味中自然交织着多种化学物质，因此对气味进行自动识别及分类是一项极具挑战的任务。气味自然交织可分为三类：协同(synergism)、补偿(compensation)、遮蔽(masking)。"协同"指两种及以上不同物质发出气味并相互交织，使得混合后的气味浓于单一物质的气味；"补偿"指一种成分的气味抵消另一种成分的气味；"遮蔽"指一种宜人的气味(pleasant odor)与另一种不良气味(unpleasant odor)融合。

电子鼻技术出现前，学界尚无法对一般情况下的化学混合物做高精度分析及成分分离。随着电子鼻设备的发展，一些研究可以测量气味强度、认识气味交互及传感器对气味交互的反应。

尽管检测特殊气味的研究始于20世纪20年代，借助化学电子传感器阵列(chemical electronic sensor array)来检测气味的想法却在20世纪80年代早期才出现，但那时受传感器技术的限制，这一想法还无法实现。20世纪90年代晚期，"电子鼻"概念正式提出，其最初的定义是: "由多传感器阵列组成、可用于检测一种以上化学成分的设备"。随后，传感器技术的发展及更多研究可能的实现很好扩展了电子鼻技术的应用范围。近年来，EN技术已经覆盖农业、水及食品产业、医药、安全系统等诸多领域，具有响应时间短、检测速度快、成本低等优良性能。

图片来源论文

上图展示了生物嗅觉系统(biological olfactory system)与电子鼻技术(EN technology)的相似之处。电子鼻的电子传感器阵列(electronic sensor array)对应着鼻子的嗅觉感受器(olfactory nose receptors)，可检测空气中的化学物质。在生物嗅觉系统中，被感受和捕捉的气味分子会作为输入信号传入嗅球(olfactory bulb)，由嗅球对气味信息进行处理。而后，大脑中的嗅皮质(olfactory cortex)对气味进行描述，并最终识别出气味。

类似地，在电子鼻技术中，预处理器(preprocessor)首先对捕捉到的气味信号进行特征提取。基于所提取的数字签名(extracted digital signatures)，电子鼻再利用数据分析、模式识别、机器学习相关算法来识别及区分输入气味。

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两者比较后可知，电子鼻技术由硬件和软件两部分组成，软件部分相当于生物的"大脑"，硬件部分相当于"嗅觉感受器"。具体而言，软件部分主要包括一个数据处理单元(data processing unit)，可借助感受到的化学物质(sensed chemicals)的数字签名(digital signatures)，识别出所捕捉的每一种气味并对其进行分类。硬件部分主要指传感器阵列(sensor array)。由于电子鼻的主要任务是检测并区分多种气味，因此传感器阵列通常包括各种不同类别的传感器，不同传感器可检测出不同化学物质。

完成特定任务时，电子鼻技术的关键在于找到合适的传感器。总而言之，要想成功构建出一套电子鼻系统，就要有合适的硬件及高效的软件做为支撑。

本文在完整综述电子鼻技术的同时，也讨论了其软硬件组件的固有特性(characteristic properties)及软硬件在完成任务时的重要性。

当前学界已经发表了一些综述，但主要聚焦电子鼻技术中的特定子课题，如作为电子鼻技术软件组件的各类传感器，食品行业中的电子鼻技术，作为电子鼻技术软件组件的神经网络。

不同的是，本文不仅对电子鼻各应用领域做了系统的综述，还广泛探讨了软件相关算法、最常用的传感器类型及其作为实用硬件组件(practical hardware components)的属性。

本文其余部分内容如下：

第二部分主要介绍了电子鼻技术及其主要组件，第三部分讨论了电子鼻技术的广泛应用及相关课题，第四部分提出当前电子鼻技术所面临的挑战，第五部分对未来研究方向做出展望，第六部分是结论。

全文信息

Electronic Nose and Its Applications: A Survey

Diclehan Karakaya, Oguzhan Ulucan, Mehmet Turkan

摘要：

In the last two decades, improvements in materials, sensors and machine learning technologies have led to a rapid extension of electronic nose (EN) related research topics with diverse applications. The food and beverage industry, agriculture and forestry, medicine and health-care, indoor and outdoor monitoring, military and civilian security systems are the leading fields which take great advantage from the rapidity, stability, portability and compactness of ENs. Although the EN technology provides numerous benefits, further enhancements in both hardware and software components are necessary for utilizing ENs in practice. This paper provides an extensive survey of the EN technology and its wide range of application fields, through a comprehensive analysis of algorithms proposed in the literature, while exploiting related domains with possible future suggestions for this research topic.

关键词：

Artificial intelligence, machine learning, pattern recognition, electronic nose (EN), sensors technology

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