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1、2008年第53卷第22期:2674~2686《中国科学》杂志社专题SCIENCEINCHINAPRESS基于嗅觉模型的电子鼻仿生信息处理技术研究进展①②③李光,傅均,张佳①浙江大学工业控制技术国家重点实验室,杭州310027;②浙江大学生物医学工程系,杭州310027;③浙江大学医学院附属邵逸夫医院,杭州310016E-mail:guangli@zju.edu.cn,aidazj@gmail.com2008-05-27收稿,2008-09-19接受国家创新研究群体科学基金(批准号:60421002)和国家重点基础研究发展计划(编
2、号:2004CB720302)资助项目摘要受生物嗅觉原理的启发,将现代传感技术、电子技术和模式识别技术等紧密结合研制成的关键词新颖仿生检测仪器——电子鼻已经在许多领域引起了广泛重视.生物嗅觉基础研究的成果与计算人工嗅觉嗅觉模型神经科学交融,又进一步丰富了人工嗅觉理论,促进了电子鼻的发展.文中综述和比较了生物嗅模式识别觉与人工嗅觉的信息处理原理,概述了几种嗅觉模型在电子鼻仿生信息处理中的应用现状,并结电子鼻合作者的研究工作,着重介绍了一种混沌嗅觉神经网络及其学习规则和时空动力学特性应用于电仿生子鼻的研究进展和前景展望.将生物嗅觉的各
3、种现象、机理融入到电子鼻信息处理技术中,不仅增强了电子鼻的仿生概念,而且在气味识别中能更接近生物嗅觉的优良性能,但是也面临许多问题有待技术界和理论界协力解决.现代科技似乎把人工机器的结构和功能发挥到法越发显得重要.随着不同学科研究方法的交叉,人了极致:各种传感器从复杂环境获取有效信息,经过们已经从基因、细胞和系统等水平对嗅觉信息处理机计算机分析并做出决策,再由执行器完成特定任务.[8]制有了相当认识,另一方面,这些生物模式识别知它们一定程度上延伸了人类的感知、脑力和体力范识也逐渐渗透到人工嗅觉领域,为电子鼻技术的发围,拓展了人类认
4、识和改造自然的能力.然而经过千展注入了新的活力.本文综述和比较了生物嗅觉和万年演化的生物体始终是工程设计的典范,仿生科人工嗅觉的信息处理原理,概述了几种嗅觉模型在学也在人类探索自身的过程中得到不断发展.电子鼻信息处理中的应用现状,在此基础上,结合我电子鼻是一种模拟生物嗅觉工作原理的新颖仿们当前的研究工作,着重介绍了一种混沌嗅觉神经生检测仪器,通常由交叉敏感的化学传感器阵列和网络及其在电子鼻模式识别中的研究进展,并提出适当的模式识别算法组成,可用于检测、分析和鉴别了面临的问题和今后的发展方向.[1]简单或复杂气味.从Persaud和
5、Dodd的开创性工1生物嗅觉的信息处理机制[2]作至今短短20多年中,它以快速、简单、客观和廉嗅觉对动物的生存至关重要,是其鉴别食物、选价的特点,已经在食品加工、环境监测、公共安全和医学诊断等诸多领域[3,4]得到应用.择配偶、标记领地和躲避敌人等的重要信息来源,其作为一个交叉学科,电子鼻的研究主要集中在他感觉系统无法替代.哺乳动物嗅觉感知由解剖和气敏传感技术[5]和模式识别算法[6]两大方面.但后者功能上独立的两部分完成,即犁鼻器系统和主嗅觉在相当长时间内没有受到足够重视,越来越成为电系统.前者主要接受信息素的刺激,引起机体内分
6、泌[3,7]变化,引发一系列生殖和社会行为[8,9].下文讨论后子鼻商业化的瓶颈,特别当各种新型的传感技术应用到电子鼻系统后,数据处理技术和模式识别算者.2674www.scichina.comcsb.scichina.com评述[12]自然界中的气味通常是由多种不同结构和性质觉信号的修饰、加工和编码发挥了重要作用.实际的气味分子(odorant)组成的混合物,机体感受的是它上这也是时间编码形成的基础,局部神经回路可使们共同作用的综合效应.气味感受器位于鼻腔上部M/T细胞产生同步振荡,在嗅皮层水平上对不同丝[12]的嗅上皮,主要由
7、嗅神经元(OSN)、支持细胞和基底球体的输出信号进行整合.电生理实验发现,用不细胞等组成,其中嗅神经元是双极细胞,它的树突到同的气味刺激嗅上皮时,在嗅球上产生不同频率(α,β达嗅上皮表面后末端变成圆形膨大,并发出数十根与γ)和幅度的电位振荡模式.这种时空编码方式较[9]纤毛伸入表面黏液中.纤毛的质膜上存在气味受体,为全面地揭示了气味的各种性质,因此嗅球或许已它在氨基酸序列上具有7个螺旋状跨膜结构,属于G经解决了对气味分子的感知和识别这两个重要问[8]蛋白偶联受体.气味受体基因是成员数目庞大的超题.[10]家族,但每个嗅神经元只表达
8、其中一种受体基僧帽细胞和丛状细胞的轴突在主嗅球后部汇聚[11]因.嗅上皮存在4个独立的空间区域,氨基酸序列形成侧嗅束进入前脑嗅皮层(梨状皮层),它是一个由具有高度同源性的气味受体倾向于分布在相同区域,锥状细胞、半月细胞和中间神经元构成的三层网络系但
