美國圣劉易斯華盛頓大學(xué)(Washington University in St. Louis)的工程師團隊們從蝗蟲(chóng)的嗅覺(jué)得到了靈感，開(kāi)發(fā)出新式的仿生機器人感測系統，可用于嗅出爆炸物等安全應用。
該校工程與應用科學(xué)系生物醫學(xué)工程副教授Baranidharan Raman并由美國海軍研究室(ONR)獲得了75萬(wàn)美元的贊助，利用這項高度靈敏的嗅覺(jué)系統為基礎，開(kāi)發(fā)出生物混合鼻。
Raman表示，生物感測系統較其他的同類(lèi)型工程系統復雜，包括負責嗅覺(jué)感官的化學(xué)感測系統。雖然這種嗅覺(jué)感官是一種原始本能，但仍留存于許多脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物物種中。
“融合生物學(xué)的解決方案可用于解決非侵入式或化學(xué)感測等問(wèn)題，而且到處都復制了相同的設計與運算原則，”Raman說(shuō)：“因此，了解基本的嗅覺(jué)處理原則對于由生物學(xué)啟發(fā)的工程解決方案不可或缺。”
多年來(lái)，以及在ONR的資金贊助下，Raman一直在研究蝗蟲(chóng)的腦部如何以相當簡(jiǎn)單的方式接收與處理感官訊號。他和他的團隊發(fā)現，氣味激發(fā)在腦部的動(dòng)態(tài)神經(jīng)活動(dòng)，讓蝗蟲(chóng)能正確地辨識特殊的氣味，即使是在其他氣味共同存在的情況下。在其他研究方面，研究團隊還發(fā)現，蝗蟲(chóng)可以被訓練于辨識某種氣味后，即使是在復雜的情況下也能順利辨識出來(lái)，例如與其他味道重迭或在不同的背景條件下。
“為什么要多此一舉？何不直接利用生物解決方案？”Raman指出，“即使是最先進(jìn)的微型化學(xué)感測裝置也有許多傳感器。另一方面，如果你觀(guān)察昆蟲(chóng)的天線(xiàn)——其化學(xué)傳感器所在之處，也有成千上百萬(wàn)的傳感器以及各種類(lèi)型。”
研究團隊還打算在昆蟲(chóng)自由活動(dòng)、探索與解碼在其環(huán)境中出現的氣味時(shí)，監控其大腦的神經(jīng)活動(dòng)。
這種方法也需要低功率電子元件來(lái)收集，記錄和傳輸數據。山塔努Chakrabartty，計算器科學(xué)與工程，在制定自己的自適應集成微系統實(shí)驗室的微型電子產(chǎn)品的專(zhuān)家教授，將與拉曼合作開(kāi)發(fā)的這部分工作。
這種途徑也需要低功耗的電子組件進(jìn)行收集、記錄以及傳送數據。圣劉易斯華盛頓大學(xué)計算機科學(xué)與工程系教授Shantanu Chakrabartty將與Raman合作，共同開(kāi)發(fā)這項研究所需的組件。
研究團隊還計劃透過(guò)遙控的方式，用蝗蟲(chóng)作為收集樣本的仿生機器人系統。多功能納米材料專(zhuān)家暨該校材料科學(xué)助理教授Srikanth Singamaneni將開(kāi)發(fā)一種由生物兼容絲制成的電漿“紋身紙”，可貼在蝗蟲(chóng)的翅膀(可產(chǎn)生微熱)，以及有助于透過(guò)遙控方式引導蝗蟲(chóng)朝向特定的位置。 此外，鑲嵌電漿納米結構的紋身貼紙還可收集鄰近的揮發(fā)性有機化合物樣本，讓研究人員使用傳統方法，為化合物的化學(xué)組成執行次級分析。
“在許多工程應用中，狗的嗅覺(jué)系統仍然是先進(jìn)感測系統，包括國土安全和醫療診斷都仍在使用嗅探犬等，”Raman說(shuō)，“然而，訓練和制約這些動(dòng)物所需的時(shí)間與困難度，加上缺少有力的譯碼程序以擷取來(lái)自生物系統的化學(xué)傳送信息，對于更廣泛的應用帶來(lái)重大挑戰。”
困難和進(jìn)行訓練和調節這些動(dòng)物所需的時(shí)間，與缺乏魯棒譯碼程序組合以提取來(lái)自生物系統的有關(guān)化學(xué)發(fā)送信息，姿勢更廣泛地應用一個(gè)顯著(zhù)挑戰。“我們期望這項研究能開(kāi)發(fā)并驗證這項基于蝗蟲(chóng)的化學(xué)感測途徑，進(jìn)一步用于偵測爆裂物。”
