陳亭利，王天娜，楊雨婷，葉世鵬，苗卿華

（哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150028）

目前，世界上還沒(méi)有理想的氣味智能化識(shí)別技術(shù)，這就體現(xiàn)了氣味識(shí)別技術(shù)所面臨的氣味多樣性和環(huán)境的復(fù)雜性。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外氣味信息識(shí)別技術(shù)相關(guān)定義、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了全面梳理，從而系統(tǒng)總結(jié)了氣味信息智能化識(shí)別技術(shù)特征。

1 氣味識(shí)別技術(shù)

氣味識(shí)別技術(shù)集計(jì)算機(jī)、氣敏傳感器技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體，與移動(dòng)通信等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)一定范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息的共享，從而使得物體更加智能化，實(shí)現(xiàn)人與物體之間以及物體與物體之間的通信和對(duì)話。

氣味識(shí)別裝置的工作原理是基于陣列中每個(gè)傳感器都對(duì)被測(cè)氣體有不同的靈敏度。一個(gè)典型的氣味識(shí)別系統(tǒng)是由多個(gè)傳感器陣列、實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別算法的信息處理軟件、可供參考的特征庫(kù)等構(gòu)成。具有交叉敏感特性的氣體傳感器陣列的輸出信號(hào)為多維信號(hào)，形成不同的氣味響應(yīng)圖，通過(guò)檢測(cè)不同的樣本，形成一個(gè)特征庫(kù)，基于輸入的氣味響應(yīng)圖進(jìn)行識(shí)別，并與特征庫(kù)中的類別進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了回歸，可以區(qū)分不同測(cè)量對(duì)象的類別。

目前，還沒(méi)有正式的定義，可以說(shuō)氣味識(shí)別技術(shù)（Odor Recognition Technology）是氣味識(shí)別裝置的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)象與裝置的接近，獲取待識(shí)別對(duì)象的相關(guān)信息，并為計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)提供背景，完成相關(guān)的后續(xù)技術(shù)應(yīng)用。

氣味識(shí)別技術(shù)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一種快速檢測(cè)食品的新穎技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)氣味識(shí)別傳感器和氣味識(shí)別算法模塊，可以迅速提取出待測(cè)物品相關(guān)信息，并且能夠指示樣品的隱藏特征。氣味識(shí)別技術(shù)是由選擇性的電化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)淖R(shí)別方法組成的儀器，主要功能有氣體檢測(cè)及氣體的識(shí)別及分類等。氣味識(shí)別裝置由氣味操作器、氣味傳感器陣列和信息處理系統(tǒng)3部分構(gòu)成。

目前，學(xué)術(shù)界已研發(fā)出多種與氣味識(shí)別技術(shù)相關(guān)的氣敏傳感器。這些氣敏傳感器主要包括金屬氧化物氣敏傳感器、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管、表面聲波傳感器、場(chǎng)效應(yīng)氣敏傳感器、電化學(xué)氣敏傳感器、光纖氣敏傳感器等。在這些器件上，通常可以對(duì)器件材料進(jìn)行一定的摻雜，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的特殊氣敏性。目前，各種表面涂層材料已被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于傳感器器件。

2 氣味識(shí)別技術(shù)研究進(jìn)展

氣味作為人類生活不可避免的一類物質(zhì)，在滿足生命基本需求的同時(shí)，更要為人們高品質(zhì)生活提供安全及舒適的環(huán)境。人體各個(gè)器官的氣味有顯著的差異性，皮膚、呼吸道和消化道中的揮發(fā)性有機(jī)化合物有大量的信息，這些信息在傳統(tǒng)中可應(yīng)用于檢查，也可應(yīng)用在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中的肺癌檢查，還可應(yīng)用于法醫(yī)學(xué)中鑒定生物特征以及化妝品行業(yè)中開(kāi)發(fā)特定香水與除臭劑[1-4]。嗅覺(jué)作為一種感受器官，具有感知和識(shí)別氣味的功能，具有較高的靈敏度和容錯(cuò)性，并具有訓(xùn)練及學(xué)習(xí)的功能。但同時(shí)也存在一定缺陷：①嗅覺(jué)容易受外界主客觀因素的影響，且人及動(dòng)物的嗅覺(jué)容易疲勞，不能連續(xù)工作；②在某些特定時(shí)刻，嗅覺(jué)對(duì)氣味缺乏評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。生物學(xué)家、神經(jīng)生理學(xué)家以及化學(xué)家，在嗅覺(jué)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。

19世紀(jì)90年代以前，針對(duì)氣味信息識(shí)別方面還沒(méi)有包含大量客觀數(shù)據(jù)的儀器及先進(jìn)適合的科學(xué)技術(shù)，主要工作都需要依靠嗅覺(jué)來(lái)完成。

20世紀(jì)50年代，氣味識(shí)別技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了初步發(fā)展階段，眾多學(xué)者嘗試模擬生物嗅覺(jué)系統(tǒng)并開(kāi)始研制設(shè)備。1961年，MONCRIEFF制造出歷史上第一臺(tái)機(jī)械式的氣味識(shí)別檢測(cè)裝置，可以用來(lái)檢測(cè)出氣體成分[5]。隨后1962年，嗅覺(jué)和味覺(jué)學(xué)術(shù)交流會(huì)[6]在瑞典斯德哥爾摩成功舉行，此次會(huì)議作為國(guó)際上最早的氣味識(shí)別領(lǐng)域的會(huì)議，推動(dòng)了對(duì)人工嗅覺(jué)技術(shù)的研究。1964年，WILKENS等[7]通過(guò)電極上的氣味氧化還原反應(yīng)原理提出了嗅覺(jué)檢測(cè)的概念，建立了第一個(gè)人工嗅覺(jué)模擬系統(tǒng)，由此科學(xué)界首次出現(xiàn)了有關(guān)人工嗅覺(jué)分析系統(tǒng)的相關(guān)報(bào)道。

20世紀(jì)80年代，氣味識(shí)別技術(shù)到了快速發(fā)展階段。1982年，英國(guó)的PERSAUD等[8]用SnO2氣體傳感器組合來(lái)模擬哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)，分析了乙醇、戊基階酸和乙歴等氣體，這是人類歷史上第一次對(duì)人工嗅覺(jué)技術(shù)進(jìn)行研究。1984年，美國(guó)的ZAROMB和STETTER[9]首先探討了氣體傳感器陣列的理論基礎(chǔ)，并將其成功應(yīng)用于可燃性和有毒的氣體的檢測(cè)。同期，英國(guó)PERSAUD等人提出了基于氣體分類的智能化學(xué)傳感器陣列概念，并制造出由傳感器陣列和模式識(shí)別系統(tǒng)所組成的氣味探測(cè)器——電子模型嗅覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，作為一種低成本、便攜且可實(shí)時(shí)檢測(cè)的分析工具，通過(guò)利用動(dòng)物的組織、細(xì)胞或嗅覺(jué)受體等生物材料結(jié)合高效的電子傳感器來(lái)模仿狗或老鼠的嗅覺(jué)，可應(yīng)用于空氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)估、公安警犬破案、輔助醫(yī)學(xué)診斷和食品質(zhì)量檢測(cè)等領(lǐng)域[8-15]。到了1987年，在英國(guó)Warwick大學(xué)召開(kāi)的第八屆歐洲化學(xué)傳感研究組織年會(huì)上，以GARDNER為首的Warwick大學(xué)氣敏傳感研究小組正式提出了模式識(shí)別的概念[16]，引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。1989年，北大西洋公約組織（NATO）召開(kāi)了關(guān)于人工嗅覺(jué)系統(tǒng)的化學(xué)傳感器信息處理會(huì)議[17]，進(jìn)一步明確了人工嗅覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[18]。

國(guó)內(nèi)開(kāi)展氣味分析研究滯后于國(guó)外，大多數(shù)用于應(yīng)用研究，范圍涵蓋了肉類、酒品、煙酒以及果蔬等食物和農(nóng)作物的氣體分析和鑒定[19]。中國(guó)科學(xué)院研究院黃祖剛等[20]在2004通過(guò)氣味識(shí)別技術(shù)完成對(duì)3類香煙的識(shí)別。浙江大學(xué)研究者周亦斌等[21]在2005年利用PEN2氣味識(shí)別裝置對(duì)番茄成長(zhǎng)過(guò)程3個(gè)階段半熟階段、成熟階段以及完熟階段分別實(shí)施了氣味分析。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究院高永梅等[22]在2008年憑借快速氣相色譜型氣味識(shí)別裝置對(duì)酒品3類香型（醬香類、清香類、濃香類）逐一進(jìn)行了檢測(cè)。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)張軍等[23]在2009年通過(guò)獨(dú)立自主研發(fā)四氣體傳感陣列的識(shí)別技術(shù)和PCA運(yùn)算將4類新鮮度不同的鰱魚(yú)分別展開(kāi)了鑒定。莊家俊等[24]在2010年利用易攜帶式氣味識(shí)別裝置PEN3以及PCA+LD運(yùn)算對(duì)生產(chǎn)批次不同的4類藥品展開(kāi)識(shí)別。2015年徐賽等[25]將3類損傷程度不同的石榴分別進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。2016年殷勇等[26]研究者通過(guò)多性能結(jié)合的氣味識(shí)別技術(shù)對(duì)5類玉米的霉變程度展開(kāi)了識(shí)別檢測(cè)。

3 氣味識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵共性問(wèn)題

但目前來(lái)說(shuō)，氣味識(shí)別技術(shù)也存在一些問(wèn)題：①運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)較高，且容易受到溫度、濕度等環(huán)境因素的干擾，穩(wěn)定性差，使得氣味特征信息提取困難。②現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析和處理技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)，對(duì)于強(qiáng)響應(yīng)的氣味識(shí)別傳感器、已有信息分析、系統(tǒng)識(shí)別運(yùn)算、復(fù)雜信息處理等生物仿生技術(shù)距離成熟仍然需要進(jìn)一步的研究。完善這項(xiàng)技術(shù)可以憑借互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，而且需要將已經(jīng)存在的氣體分析模塊進(jìn)行改善，伴隨著大數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)里的廣泛應(yīng)用，將其充分利用于氣味識(shí)別領(lǐng)域或許可成為完善該技術(shù)的重要方法。③當(dāng)下已研發(fā)出的氣味識(shí)別傳感器的專一性和適應(yīng)性仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)的普及使用，容易受周圍環(huán)境的壓力、溫度、濕度等條件的干擾，所以需要研發(fā)出適應(yīng)能力更強(qiáng)的氣味識(shí)別傳感器。

4 總結(jié)和展望

綜上所述，當(dāng)前海內(nèi)外氣味識(shí)別仍處于初步研究時(shí)期，已有的氣味識(shí)別裝置仍存在缺陷，例如氣味識(shí)別模塊中傳感器的適應(yīng)性和專一性不足，在周圍環(huán)境發(fā)生改變時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)；氣味識(shí)別傳感器容易發(fā)生化學(xué)變化，與周圍氣體分子結(jié)合，對(duì)識(shí)別結(jié)果產(chǎn)生影響等。

對(duì)于氣味識(shí)別裝置與待測(cè)物氣體分子之間的反應(yīng)以及識(shí)別裝置響應(yīng)值發(fā)生改變的基本原理了解不夠全面，這也導(dǎo)致氣味識(shí)別裝置在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域未能被廣泛應(yīng)用。目前對(duì)低成本、高性能、小體積，且具有一定抗干擾能力，能夠快速、實(shí)時(shí)、有效鑒別分析白酒氣味的氣味信息識(shí)別技術(shù)儀器需求較大。

另外，對(duì)于識(shí)別中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)、識(shí)別模塊缺少通用算法，運(yùn)算缺乏大量數(shù)據(jù)支持等因素都造成該項(xiàng)技術(shù)無(wú)法被廣泛應(yīng)用的原因。因此，研制新一代的氣味識(shí)別裝置材料、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理運(yùn)算等方面將會(huì)成為氣味識(shí)別技術(shù)未來(lái)亟需著手的方面?；谧R(shí)別物體的特性，專屬性地研制抗干擾能力強(qiáng)的傳感器裝置，合理地對(duì)識(shí)別傳感器整列進(jìn)行排列，從而克服裝置識(shí)別過(guò)程中的缺陷。依據(jù)使用場(chǎng)景的不同優(yōu)化出最合適的信息分析算法，將是該項(xiàng)技術(shù)未來(lái)發(fā)展的重要方向。