掃人類嗅覺盲區(qū)！機器人電子鼻嗅出生命、聞診疾病｜npj Robotics

你是否想過，機器人能聞到氣味嗎？

如今，隨著電子鼻與機器人技術(shù)的深度融合，機器嗅覺正從實驗室走向現(xiàn)實戰(zhàn)場，成為機器人感知世界的新維度。

近日，香港科技大學研究團隊在Nature旗下期刊《npj Robotics》發(fā)表重磅綜述，系統(tǒng)梳理了電子鼻在機器人嗅覺領(lǐng)域的最新進展，揭示出這項技術(shù)如何賦予機器人嗅覺，使其在搜救、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測乃至家庭服務(wù)中發(fā)揮不可替代的作用。

▍為什么機器人需要嗅覺？

嗅覺可能是生物體最古老的感覺之一，但也是最精密的化學檢測系統(tǒng)。人類鼻子中大約有400種不同類型的嗅覺受體，通過這些受體的不同組合，我們能夠識別數(shù)千種不同的氣味。

人類的嗅覺雖然敏銳，卻存在本質(zhì)局限。它是主觀的，容易受生理和心理狀態(tài)影響，且無法檢測無味但有害的氣體。

正因如此，開發(fā)能夠復制甚至超越人類嗅覺能力的技術(shù)成為迫切需求。機器人嗅覺系統(tǒng)需要面對更嚴苛的挑戰(zhàn)，要在湍流、風力變化和多種氣味源的復雜環(huán)境中，仍然能夠準確檢測和識別目標氣體。這種能力對于搜救、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療診斷至關(guān)重要。

如何實現(xiàn)這一目標？答案藏在電子鼻。這套系統(tǒng)的核心原理在于仿生：它效仿人類鼻子的工作邏輯捕捉氣味，再通過一套復雜的智能算法扮演大腦的角色，對捕捉到的復雜化學信號進行解碼與識別。

電子鼻在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用示意圖。a四種氣體傳感器的示意圖。b用于電子鼻解碼的氣體源定位算法示意圖。c通過集成電子鼻在智能機器人中實現(xiàn)嗅覺功能。d機器人組裝電子鼻的應(yīng)用場景。

自1982年被首次提出以來，電子鼻已使用多種氣體傳感器，包括金屬氧化物半導體、電化學、光學與場效應(yīng)晶體管等，各有所長，適應(yīng)不同場景需求。

▍四類嗅覺傳感器搭載，各有絕活！

電子鼻是機器人嗅覺的核心技術(shù)，而傳感器的多樣性則是實現(xiàn)精準嗅覺的關(guān)鍵。機器人嗅覺技術(shù)的發(fā)展，依賴于四個主要傳感器家族的進步。

金屬氧化物半導體氣體傳感器機器人電子鼻的理想選擇。其在靈敏度、成本效益和緊湊性方面表現(xiàn)出色，能夠在保持輕巧和低功耗的同時，檢測環(huán)境中極低濃度的目標氣體，但其長期穩(wěn)定性受材料性能漂移影響，存在嗅覺失靈的風險。

為提升可靠性，未來研究需聚焦于優(yōu)化硬件設(shè)計，并結(jié)合自適應(yīng)學習算法，以實現(xiàn)穩(wěn)定持續(xù)的環(huán)境氣味地圖構(gòu)建，從而降低系統(tǒng)維護頻率。

金屬氧化物半導體氣體傳感器

電化學氣體傳感器是機器人電子鼻實現(xiàn)高選擇性檢測的關(guān)鍵。其通過特異性電化學反應(yīng)識別目標氣體，選擇性強且功耗極低，非常適用于便攜式機器人系統(tǒng)。然而，其使用壽命與環(huán)境適應(yīng)性不高。未來的發(fā)展將依賴于室溫離子液體等新型電解質(zhì)材料，以及選擇性過濾膜的集成，以提升其在復雜環(huán)境和寬溫域下的可靠性與穩(wěn)定性。

電化學氣體傳感器

光學氣體傳感器以其高選擇性、卓越的長期穩(wěn)定性和抗環(huán)境干擾能力著稱。其通過分析光與氣體的相互作用進行檢測，但傳統(tǒng)系統(tǒng)往往體積較大。當前的研究正致力于通過超材料、MEMS工藝等實現(xiàn)傳感器的小型化與集成化，并發(fā)展多氣體同步檢測能力，以使其能更靈活地部署于各類機器人平臺。

光學氣體傳感器

場效應(yīng)晶體管傳感器是朝著智能嗅覺邁進的關(guān)鍵。它本質(zhì)上是顆可微型化的電子嗅覺芯片，靈敏度極高，且能與機器人計算核心無縫集成。新興的二維材料讓它如虎添翼。它的終極夢想不僅是檢測氣體，更是理解氣味。

場效應(yīng)晶體管氣體傳感器

除此之外，還有依靠催化燃燒感知可燃氣體的催化傳感器，以及動態(tài)追蹤氣味的石英晶體微天平傳感器，它們共同豐富了機器人鼻子的技能庫。

▍氣味從哪里來？聰明鼻子更需聰明大腦

擁有靈敏的鼻子只是第一步，如何讓機器人理解并追蹤氣味才是真正挑戰(zhàn)。

氣味在空氣中并非均勻散布，而是形成如同煙羽般飄忽不定的軌跡。面對這一難題，科學家從自然界尋找靈感，目前開發(fā)了多種氣體源定位算法，可分為仿生方法、多機器人協(xié)作和貝葉斯概率策略三大類。

機器人氣體源定位算法

仿生算法受飛蛾、大腸桿菌和渦蟲等生物行為的啟發(fā)。飛蛾利用螺旋形飛行模式追蹤性信息素，這一策略已被轉(zhuǎn)化為機器人搜索算法。在低氣流環(huán)境下，研究人員發(fā)現(xiàn)六邊形路徑算法表現(xiàn)最佳，成功率達到73.3%。

這種算法的成功在于它能根據(jù)前兩步測試的濃度調(diào)整前進方向，有效減少了濃度快速波動的影響。

多機器人協(xié)作方法顯著提高了氣體源定位的效率和可靠性。通過粒子群優(yōu)化算法和蟻群優(yōu)化算法的應(yīng)用，機器人團隊可以協(xié)同工作，共享信息，從而更有效地覆蓋搜索區(qū)域并定位氣味源。研究顯示，在一定范圍內(nèi)增加機器人數(shù)量可以提高搜索成功率。

貝葉斯概率模型為機器人提供了推理能力。它們能夠根據(jù)不完整的感官信息，結(jié)合對氣體擴散規(guī)律的了解，推算出氣味源最可能的位置。

未來趨勢是混合算法，結(jié)合仿生策略的靈活性與概率模型的準確性，并融入實時學習與自適應(yīng)機制，讓機器人即使在湍流、多源干擾環(huán)境下也能高效定位。

▍從災(zāi)難現(xiàn)場到人體內(nèi)部，機器人嗅覺的落地戰(zhàn)場

這些技術(shù)未止步于實驗室，配備電子鼻的機器人已經(jīng)進入了多個關(guān)鍵領(lǐng)域，正在改變從災(zāi)難響應(yīng)到醫(yī)療診斷以及家庭工作等多個領(lǐng)域的工作方式。

• 搜救行動：嗅出生命跡象

在地震、火災(zāi)等災(zāi)難現(xiàn)場，機器人可憑借電子鼻檢測人體釋放氣味，定位被困者位置，避免救援人員二次傷亡。目前已出現(xiàn)集成觸覺與嗅覺的仿生手掌機器人，能在廢墟中識別人體并評估生命狀態(tài)。

• 環(huán)境監(jiān)測：實時嗅探污染源

搭載電子鼻的無人機、地面機器人可繪制氣體分布三維地圖，實時監(jiān)測工廠泄漏、空氣污染、火災(zāi)初期煙霧等，實現(xiàn)預警與溯源。

• 醫(yī)療健康：從穿戴到植入

運用到穿戴式設(shè)備上，智能口罩集成CO?傳感器，實時監(jiān)測呼吸狀態(tài)；電子皮膚結(jié)合氣體傳感器，實現(xiàn)汗液成分無線監(jiān)測；微型電子鼻膠囊可進入消化道，檢測腸道氣體，為胃腸疾病提供無創(chuàng)診斷新手段；在腫瘤切除等手術(shù)中，機器人嗅覺可實時識別組織揮發(fā)性標志物，輔助醫(yī)生判斷邊界。

• 家用機器人：讓家庭管家更懂你

未來的人形家庭機器人若搭載電子鼻，將能實時監(jiān)測燃氣泄漏、甲醛超標等危險；識別食物腐敗，提醒用戶及時處理；感知烹飪氣味、空氣清新度，自動調(diào)節(jié)家居環(huán)境；甚至通過識別主人喜愛的氣味，提供個性化服務(wù)。

▍挑戰(zhàn)與未來：機器嗅覺的下一次躍遷

盡管進展令人振奮，但機器人嗅覺技術(shù)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。傳感器的靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性之間似乎存在天然的矛盾，就像不可能同時達到的鐵三角。

復雜的真實環(huán)境更是無情。溫度變化、濕度干擾、多重氣味混合、傳感器老化漂移......每一個因素都可能讓精心設(shè)計的系統(tǒng)失靈。

未來的突破將來自多學科的深度交融。納米材料科學有望創(chuàng)造出更高效的氣體敏感材料；神經(jīng)形態(tài)計算將模仿生物嗅覺系統(tǒng)的信息處理方式；柔性電子技術(shù)將使傳感器像皮膚一樣貼合各種表面。

或許在不久的將來，每一臺服務(wù)機器人都會標配電子鼻，能夠嗅出食物的新鮮度、空氣中的有害物質(zhì)，甚至主人身體的微妙變化。

那時，嗅覺將不再是生物獨有的神秘感官，而成為機器感知世界的標準配置之一。

論文地址：http://www.nature.sh.sjuku.top/articles/s44182-025-00071-y