教授专栏106｜革命性仿生嗅觉晶片开启气体感测新纪元

文 / 范智勇教授、王琛教授、陈哲思博士

研究团队成功开发了配备多种高性能气体传感器阵列的人工嗅觉传感器。这项新发明的「仿生嗅觉晶片」能够在纳米多孔基材上集成纳米管传感器阵列，于每个芯片上拥有多达10,000个可独立定址的气体传感器，与人类和其他动物的嗅觉系统配置相似。

范智勇教授（中）及论文的两位同等贡献第一作者：前港科大博士后研究员、现任吉林大学教授王琛博士（右）、港科大电子及计算机工程学哲学博士2023年毕业生陈哲思博士（左）

数十年来，全球的科研人员均致力开发人工嗅觉和电子鼻，旨在模仿生物嗅觉系统的精巧机制，以有效识别复杂的气味混合物。然而，这些技术的发展面临著重大挑战，包括如何缩小系统和提高其识别能力，来确定复杂气味混合物中的确切气体种类以及其浓度。

乳乳类动物的嗅觉系统与仿生嗅觉晶片系统的比较

为了应对这些困难，本研究团队，使用了一种工程材料成分梯度，令一个小型纳米结构晶片能容纳多种不同的传感器阵列。利用人工智能技术，这些仿生嗅觉晶片对多种气体都表现出很强的敏感度，可以精准地区分混合气体和24种不同的气味。此外，为了扩展仿生嗅觉晶片的应用范围，团队将晶片与视觉传感器整合在机械狗身上，为机械狗创造了一个结合嗅觉和视觉的系统，并于实验中证明机械狗能够准确地识别盲盒中的物品。

（a）范智勇教授的仿生嗅觉晶片系统安装在一只机械狗上，让其识别盲盒中的物品。（b）用计算机视觉（即摄影镜头）对盲盒进行辨识。（c）仿生嗅觉晶片系统的辨识结果。（d）传感器阻抗讯号的实时记录数据

仿生嗅觉晶片的发展不仅加强了人工嗅觉和电子鼻系统现时在食品、环境、医疗和工业流程控制等范畴的广泛应用，还将为智能系统（如：先进机械人和便携式智能设备）开辟新的可能性，以应用于安全巡逻和救援行动等工作。

例如，在实时监测和质量控制方面，仿生嗅觉晶片可用于检测和分析在不同阶段的工业过程中所产生的特定气味或挥发性化合物，以确保安全。另外，亦可在环境监测中检测出任何异常或有害气体，并识别管道中的泄漏情况，以便及时处理和维修。

模仿人类鼻子的智能感应晶片

团队的这项研究在气味数码化的领域上起到了关键性的作用和突破。近年随着影像感测技术日趋成熟，视觉讯息数码化的发展已一日千里，但在气味的讯息领域上仍因缺乏先进的气味传感器而停滞不前。所以，范教授率领的团队为仿生气味传感器的发展作出了莫大的贡献。通过进一步的改良，这些传感器有望像手机和便携式电子产品中使用的微型镜头一样被广泛使用，从而提高人们的生活质量。

研究团队一直热衷于将实际应用与大胆想象相结合，来推动具有深远社会影响力的前沿研究。已在仿生感知系统的领域上钻研了超过二十年，先从视觉系统着手，于2020年成功研发了世界上首只具有三维视网膜的球状人造眼。建基于此，团队进一步研究嗅觉系统，并将两套系统整合起来，制造出更智能化及具有更多功能的机械人。

未来，随著生物相容性材料的发展，我们希望将仿生嗅觉晶片放置在人体上，使我们能够侦测到平常无法闻到的气味。它甚至可以监察到从我们呼出和皮肤排出的挥发性有机分子的异常情况，再警示我们有潜在疾病的风险，以发挥仿生工程学的更大潜力。

* 这项研究是与清华大学、吉林大学及范教授的初创公司艾感科技（广东）有限公司合作完成，并于近期在全球顶尖的国际期刊《自然-电子学》上发表，标题为「Biomimetic Olfactory Chips Based on Large-Scale Monolithically Integrated Nanotube Sensor Arrays」。

范智勇教授简介

范智勇教授，香港科大电子与计算机工程系、化学与生物工程系教授、智能传感器与环境技术中心创始主任、香港科大先进显示与光电子技术国家重点实验室共同主任、材料表征和制备设施副主任、香港青年科学院创始成员，2022年腾讯“科学探索奖”获得者，2022年首届“中银香港科技创新奖”获得者。

范教授曾于1998和2001年获复旦大学材料学系本科和硕士学位，2006年获加州大学欧文分校材料科学博士学位。曾任加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系博士后研究员，劳伦斯伯克利国家实验室博士后研究员。

范教授研究兴越集中在微纳电子及光电子器件，仿生器件。迄今在Nature，Nature Electronics，Nature Materials，Nature Photonics 等期刊发表250余篇学术论文，引用次数~30,000，H指数90，中国及美国专利30余件，并在大湾区创办了一家传感器国家高新技术企业“艾感科技有限公司”。

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主编 | 袁冶

责编 | 周姗

核校 | 柳松、许珺、吴倩

来源 | 转载自香港科技大学官网