医疗护理、毒气监测、可穿戴设备都有它，这座“金矿”有待采掘！
测量距离、感应湿度、监测噪音、防灾报警……被喻为“电五官”的传感器已进入社会生活的方方面面。作为这个“大家庭”的一份子，气体传感器频频出现在工业设施、民用住房和娱乐场所中，在安全领域发挥了不小的作用。然而，目前绝大部分的气体检测设备主要针对有毒、有害气体监测，在智能技术迭代、应用场景开拓等方面仍有很大的“淘金”空间。之江实验室超级感知研究中心研究专家王镝博士及团队，正紧锣密鼓地开展人工嗅味觉传感器及其相关技术研发，并完成了手持式呼吸丙酮检测设备、微型化嗅觉传感器样机1.0等阶段性重要成果。
在人类“视听触味嗅”五感中，嗅觉最为复杂，其机制尚未完全查明。目前，模仿嗅觉机制的气体传感器主要应用于二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氢气等毒害燃爆气体的检测。民用住宅、商用楼宇和公共娱乐场所用的二氧化碳传感器、煤气传感器、甲醛传感器等就是生活中常见的气体传感器。
王镝博士
比起感知声、光、电、力等信号的物理传感器，感知化学信号的气体传感器应用拓展相对缓慢，这背后有复杂的技术原因。“由于现实中的气体样品混杂了大量不同种类的气体分子，导致气体传感器易受干扰，可靠性相对较差。而且气体传感器的敏感材料需要暴露在外部气体环境中工作，时时刻刻可能受化学物质影响，导致器件的稳定性不佳。”王镝博士解释道。
然而，在大量的物联网应用场景催化，以及通信技术和人工智能技术的赋能下，气体传感器的开发在不断推进，其应用场景从用于毒害气体检测逐渐向医疗护理、可穿戴设备、食品安全等领域拓展。例如，在医疗领域，二氧化碳浓度曲线是判断病人肺通气情况的依据，某些气体标志物浓度曲线反映了慢性疾病的发展趋势。因此，仅凭传感器测量气体浓度还不够，通常需要医护人员对曲线特征和变化趋势进行判断。在人工智能技术赋能传感器后，智能气体传感器不仅能检测气体、绘制曲线，还可以判断疾病发展程度，减轻医护人员压力，使疾病监测和健康管理得以可能。
气体传感器在医疗领域已有不少应用案例。王镝博士团队研制的手持呼吸丙酮检测设备就是其中的典型。其原理就是利用气体传感器，检测人呼气中的丙酮含量，从而实现快速、无痛的I型糖尿病检测。相较传统的血液检查，呼气式检测的诊疗体验更佳。
“当人体内胰岛素水平低时，无法将葡萄糖转化成能量，转而分解脂肪。作为脂肪分解后的副产品之一，丙酮会随呼吸排出体外。”王镝进一步解释说，“我们研制的手持呼吸丙酮检测设备采用比色式技术路线，通过检测气敏材料的颜色变化，测量人呼气成分中的丙酮含量。”
这一设备操作便利，被试者只需向设备吹气，在气体通过检测单元时，丙酮敏感材料会特异性地与其中的丙酮发生反应，并改变颜色，引起传感器中的光信号变化，最终转化为电信号将丙酮含量数据输出。
手持式呼吸丙酮检测设备结构示意图
“针对气体传感器研发的可靠性问题，项目组采用了仅针对丙酮的特异性化学反应，且排除了湿度干扰，能在成分复杂的呼吸气体中准确测出丙酮。对于可靠性问题，我们正在研制'日抛’贴片式丙酮传感器。这种传感器成本低，可一次性使用，能够全天候自动测量皮肤挥发的丙酮气体，实用性非常强。”王镝说，“未来，在与人工智能技术结合后，贴片丙酮传感器可以辅助糖尿病的诊断、监测和用药指导。”
实验数据显示，该传感器能从复杂的呼吸气体中准确测出丙酮含量。
目前，这一研究成果已发表于2020年11月出版的《ACS Sensors》杂志上。
王镝团队在《ACS Sensors》上发表的论文
王镝博士与团队成员讨论传感器研制的技术细节
随着人工智能、物联网等技术的发展，气体传感器这个“小锚点”将在智能时代发挥“大作用”。面对气体传感器及其应用的“星辰大海”，王镝团队并未止步于研制单一气体传感器，而是瞄准与智能设备兼容的高集成阵列式嗅觉器件，目前已取得阶段性研究成果。他们希望“用一枚小小的手机插件，同时辨别几十种气体”，让食品安全信息唾手可得，环境监测数据尽在掌握，可穿戴设备更加“聪明”，获取更全面、精确的健康数据和环境信息，为智慧生活装上机灵的“电鼻子”。
图为微型化嗅觉传感器样机1.0。目前，团队正将样机迭代为更小的插件。
王镝团队由化学、材料、生物医学工程等专业的科研人员组成，充分发挥了交叉学科在传感器研究领域的优势，在人工嗅味觉研究，微型化、智能化的化学检测技术方向开展研究，致力于推动嗅味觉传感器在医疗、食品、安全等更多领域中落地应用。下一步，王镝团队将在光学检测系统微型化，多模态信号融合感知等方面进行深入探索。
撰稿 | 徐画 陈航
图片 | 赵新原 王镝团队
学术指导 | 王镝