科大研究团队成功研发革命性仿生嗅觉晶片　开启气体感测新纪元

香港科技大学（科大）工学院的一支研究团队，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，于每个晶片上拥有多达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。

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着重大挑战，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。

为了应对这些困难，由科大电子及计算机工程学系和化学及生物工程学系讲座教授范智勇带领的研究团队，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。

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。

范教授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素。

范教授作为跨学科材料科学和工程学的国际知名学者，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。他已在仿生感知系统的领域上钻研了超过二十年，一开始他先从视觉系统着手，并于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，他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。

范教授表示：「未来，随着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」。

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（原文於2024年3月28日在EurekAlert刊登。）