科大研究團隊成功研發革命性仿生嗅覺晶片　開啟氣體感測新紀元

香港科技大學（科大）工學院的一支研究團隊，成功開發了配備多種高性能氣體傳感器陣列的人工嗅覺傳感器。這項新發明的「仿生嗅覺晶片」能夠在納米多孔基材上集成納米管傳感器陣列，於每個晶片上擁有多達10,000個可獨立定址的氣體傳感器，與人類和其他動物的嗅覺系統配置相似。

數十年來，全球的科研人員均致力開發人工嗅覺和電子鼻，旨在模仿生物嗅覺系統的精巧機制，以有效識別複雜的氣味混合物。然而，這些技術的發展面臨著重大挑戰，包括如何縮小系統和提高其識別能力，來確定複雜氣味混合物中的確切氣體種類以及其濃度。

為了應對這些困難，由科大電子及計算機工程學系和化學及生物工程學系講座教授范智勇帶領的研究團隊，使用了一種工程材料成分梯度，令一個小型納米結構晶片能容納多種不同的傳感器陣列。利用人工智能技術，這些仿生嗅覺晶片對多種氣體都表現出很強的敏感度，可以精準地區分混合氣體和24種不同的氣味。此外，為了擴展仿生嗅覺晶片的應用範圍，團隊將晶片與視覺傳感器整合在機械狗身上，為機械狗創造了一個結合嗅覺和視覺的系統，並於實驗中證明機械狗能夠準確地識別盲盒中的物品。

仿生嗅覺晶片的發展不僅加強了人工嗅覺和電子鼻系統現時在食品、環境、醫療和工業流程控制等範疇的廣泛應用，還將為智能系統（如：先進機械人和便攜式智能設備）開闢新的可能性，以應用於安全巡邏和救援行動等工作。

例如，在實時監測和質量控制方面，仿生嗅覺晶片可用於檢測和分析在不同階段的工業過程中所產生的特定氣味或揮發性化合物，以確保安全。另外，亦可在環境監測中檢測出任何異常或有害氣體，並識別管道中的泄漏情况，以便及時處理和維修。

范教授團隊的這項研究在氣味數碼化的領域上起到了關鍵性的作用和突破。近年隨著影像感測技術日趨成熟，視覺訊息數碼化的發展已一日千里，但在氣味的訊息領域上仍因缺乏先進的氣味傳感器而停滯不前。所以，范教授率領的團隊為仿生氣味傳感器的發展作出了莫大的貢獻。通過進一步的改良，這些傳感器有望像手機和便攜式電子產品中使用的微型鏡頭一樣被廣泛使用，從而提高人們的生活質素。

范教授作為跨學科材料科學和工程學的國際知名學者，一直熱衷於將實際應用與大膽想象相結合，來推動具有深遠社會影響力的前沿研究。他已在仿生感知系統的領域上鑽研了超過二十年，一開始他先從視覺系統着手，並於2020年成功研發了世界上首隻具有三維視網膜的球狀人造眼。建基於此，他進一步研究嗅覺系統，並將兩套系統整合起來，製造出更智能化及具有更多功能的機械人。

范教授表示：「未來，隨著生物相容性材料的發展，我們希望將仿生嗅覺晶片放置在人體上，使我們能夠偵測到平常無法聞到的氣味。它甚至可以監察到從我們呼出和皮膚排出的揮發性有機分子的異常情況，再警示我們有潛在疾病的風險，以發揮仿生工程學的更大潛力。」

這項研究是與清華大學、吉林大學及范教授的初創公司艾感科技（廣東）有限公司合作完成，並於近期在全球頂尖的國際期刊《自然－電子學》上發表，標題為「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。）