人眼可以區(qū)分數(shù)百萬種顏色，人耳可以聽出50萬種音調(diào)，而與人類的嗅覺能力相比，這都有些遜色。早在2014年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，人鼻可以區(qū)分1萬億種氣味。對于視覺系統(tǒng)，科學(xué)家開發(fā)出了機器視覺;對于聽覺系統(tǒng)，科學(xué)家研發(fā)了語音識別。那是否存在一種可能性，制造一套人工嗅覺系統(tǒng)呢？

新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的研究人員通過模仿哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)，發(fā)明了人工“電子鼻”，可準確評估肉類的新鮮度。實驗數(shù)據(jù)顯示，“電子鼻”檢測準確率高達至98.5%，而傳統(tǒng)檢測方法只有61.7%。

該研究成果由NTU聯(lián)合中國江南大學(xué)以及澳大利亞莫納什大學(xué)共同完成，并于10月發(fā)表在科學(xué)雜志《先進材料》上。

真正實現(xiàn)快速、準確、無損檢測

食物中毒幾乎是人人都有過的經(jīng)歷。因為食用了被污染的食物，患者往往會上吐下瀉。其致病機理是食物中的細菌或者病毒進入人體腸道后大量繁殖，導(dǎo)致腸道感染。食品安全至關(guān)重要，其中關(guān)鍵的一環(huán)，就是保證食材的新鮮度，即準確對其新鮮度進行評估。

“準確”不意味著嚴格，而是適中。消費者因為懷疑存儲在冰箱內(nèi)的肉類變質(zhì)而丟棄，會造成大量浪費;另一方面，在不知情的情況下食用變質(zhì)食物則有害健康。“人工鼻”項目負責人，NTU材料科學(xué)和工程學(xué)院陳曉東教授介紹了當前主流肉類檢測方法的弊端。

哺乳動物嗅覺系統(tǒng)VS.人工嗅覺系統(tǒng)

目前，測定肉類采用的是揮發(fā)性鹽基氮法。在肉類長時間放置過程中，由于酶和細菌的作用，蛋白質(zhì)、脂肪和糖類被分解、變質(zhì)，一系列堿性含氮的有毒物質(zhì)如酪胺、組胺、尸胺等胺類被釋放出來。通過檢測這類物質(zhì)的量，進而反推肉類的新鮮度。該方法主要的弊端在于，需要特定的儀器進行檢測，其使用不便，檢測復(fù)雜。這意味著只能由政府相關(guān)部門、相關(guān)人員，使用儀器在特定的環(huán)境和場合進行檢測，效率低、可使用場景少，還存在測不準的問題。

為了克服這些弊端，陳曉東等人基于哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的工作原理，研發(fā)了“電子鼻”。

首先，要理解哺乳動物嗅覺系統(tǒng)的工作原理。對于哺乳動物來說，嗅覺系統(tǒng)起作用要從鼻子吸入氣體開始。氣體接觸到包含有多種嗅覺感受器的嗅覺上皮細胞，這些嗅覺感受器對很多范圍的氣體分子呈現(xiàn)親和性，之后嗅覺神經(jīng)將感受器激活成電信號，傳到給嗅球，再經(jīng)過嗅球傳遞，直到大腦，最終識別氣體并決定氣體濃度。

總的來說，哺乳動物嗅覺系統(tǒng)運轉(zhuǎn)可以分成兩部分，一是感受器接觸氣體，此時形成的神經(jīng)信號像是氣味指紋，必須經(jīng)過解讀才能得到結(jié)果。第二步則是信號通過神經(jīng)傳遞給大腦，對氣氛指紋做出解讀。

用更加專業(yè)的詞匯來說，模仿哺乳動物的嗅覺系統(tǒng)，需要復(fù)制兩個功能：交叉反應(yīng)傳感和氣味指紋模式識別。

這恰好也對應(yīng)了“電子鼻”的兩個組成部分：條形碼和閱讀器。前者放置于肉類周圍，條形碼因為肉類中的不同濃度的揮發(fā)性氣體而產(chǎn)生變色;后者是“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”，用以解讀變色的條碼，給出新鮮度結(jié)果。

這兩個部分哪個更為關(guān)鍵？陳曉東坦言：“電子鼻識別肉類新鮮度之所以比傳統(tǒng)方法準確度高，并不是因為我們檢測了更多種類的氣體，而是對變色條碼的解讀更精確。”這也就意味著，該電子鼻技術(shù)的核心，是一個精確解讀變色條形碼信息的一套算法。

“條形碼”由20種不同類型的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復(fù)合材料構(gòu)成。當其置于待測肉類之上，條碼中的鹵素染料根據(jù)氣體類型和濃度發(fā)生交叉反應(yīng)，顯示出彩色條形碼（氣味指紋）。

“五彩斑斕”的條形碼形成的氣味指紋

比如，在條形碼上第一條帶上，有一種叫溴百里酚藍（BPB）的染料，當遇到微生物降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的生物胺，其羥基基團分裂，可見色從黃色變成藍色。當暴露在不同濃度的氣體中時，條碼的每一條都會有不同顏色或顏色范圍。

設(shè)計條形碼與肉類揮發(fā)氣體反應(yīng)并不困難，困難的是面對千變?nèi)f化的變色條碼，應(yīng)該如何解讀。設(shè)想人的嗅覺系統(tǒng)，當聞到肉類散發(fā)出的臭味，就能判斷已經(jīng)變質(zhì)，如果味道弱一些，就能判定不新鮮。那“電子鼻”應(yīng)該如何判斷呢？

陳曉東等人使用機器學(xué)習方法訓(xùn)練條形碼“閱讀器”，直到系統(tǒng)能準確根據(jù)條形碼判斷新鮮度為止。

首先，要訓(xùn)練系統(tǒng)，必須要給出一個標定后的準確結(jié)果。他們使用國際標準，為肉類的新鮮程度分類：新鮮、不新鮮和變質(zhì)。每一種分類都會對應(yīng)一組揮發(fā)性氣體含量范圍。

之后，研究人員將條形碼粘在透明聚氯乙烯（PVC）肉類包裝薄膜上，并朝向外側(cè)，但是不接觸肉制品。然后將該樣品置于25℃環(huán)境中，在不打開包裝的情況下，使用智能手機拍攝條形碼圖像。最終，他們得到了4161張肉類圖像，并隨機分成兩組：一組有3475張，用來訓(xùn)練模型;另一組686張用來測試。

識別條形碼的模型使用的是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法（DCNN）。電子鼻經(jīng)過訓(xùn)練后，用686張圖像測試，讓系統(tǒng)判斷該條形碼對應(yīng)的肉類屬于新鮮、不新鮮或者變質(zhì)，準確度高達98.5%。

這種新型“電子鼻”，在肉質(zhì)新鮮度檢測上，真正做到了便攜、準確和無損。陳曉東介紹，在此之前，類似的電子鼻存在的問題往往是過于笨重，例如拖著長長的電源線?；蛘呤菣z測條件苛刻，某些電子鼻傳感器在高溫下才能工作。而他們研發(fā)的新型電子鼻，只需要一張條形碼，和一部智能手機即可。操作人員拍下條形碼，使用專門開發(fā)的APP上傳圖片，接入云端的分析系統(tǒng)，快速得到結(jié)果。