仿生传感器

仿生传感器应用与发展法晓（青岛理工大学自动化学院143085210509）摘要：在几乎所有的工业分支和现代生活中，如机械和设备工程，汽车和航空工业，娱乐和消费行业，医疗技术和生命科学领域，以及在军事和安全技术，传感器已成为不可或缺的一部分。事实上，在当前信息化社会中，几乎所有的高科技产品都离不开传感器的信息采集技术支持。科技以人为本，未来传感器的发展将依照现在以及未来的需求向着更好地为人类服务的方向发展。关键词：智能化传感器；纳米传感器；无线传感器网络；仿生传感器AbstractSensorshavebecomeindispensableinpracticallyallbranchesofindustryandmodernlife,suchasmechanicalandplantengineering,theautomotiveandaerospaceindustries,entertainmentandconsumerindustries,medicaltechnologyandlifesciences,aswellasinmilitaryandsecuritytechnologyarea.However,thereishardlyanyindustrialareathatcanworkwithoutmeasuring,testingandmonitoring.Infact,inthecurrentinformationsociety,almostallofthehigh-techproductsareinseparablefromtechnologysupportofthesensorinformationcollection.Scienceandtechnologytakeshumanasthebasicorigin,thefuturedevelopmentofsensorswillbeinaccordancewiththeneedsofpresentandfuturetoservehumanitytowardthedirectionbetter.Keywords：IntelligentSensors；WirelessSensorNetwork；BimimeticSensors1引言从广义上讲，传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。可分为：（1）物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理现象和物理效应；（2）化学类，基于化学反应的原理；（3）生物类，基于酶、抗体和激素等分子识别功能。通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。域遍及生物医学中人体感受器官的诊断和修复、智能机器人、食品、环境、大气污染的监测、军事安全、化学和生物武器以及反恐怖等十分广泛的领域。如具有仿生功能的人工眼、人工耳、人工鼻、人工舌以及人工皮肤用于人体感受器官损伤的修复和替代;用于现场对食品和环境质量进行快速检测和鉴别的电子鼻和电子舌。在化学和生物战中,仿生传感器能对其所怀疑的病菌实行快速监控,使人们尽早检出病。在未来的小型、微型甚至纳米机器人中,如模拟蜜蜂、蝴蝶甚至蟑螂的小型机器昆虫将配备众多的仿生传感器。近年来,随着生物医学和微电子加工技术的快速发展和人类生活质量的不断提高,用仿生技术研制各种具有感觉功能的用于损伤修复的人工器官得到子决速的发展。国际上仿生传感器研究首先是从检测和识别物理量开始的,特别是在人工视觉、人工听觉和人工触觉的研究方面呈现非常活跃的局面。随着生命科学和人工智能研究的快速发展,使人们对探索和模仿动物及人类的嗅觉和味觉功能在技术上有了可能,同时,随着生物医学领域对体味、体液快速分析检测和环境中微量、痕量元素检测需要的增长，人们对电子鼻和电子舌这类快速分析诊断仪器的需求日益增长。2仿生传感器的产生和含义2.1仿生传感器的产生2.1.1仿生学的产生为其提供了理论依据20世纪60年代开始兴起仿生学，它是利用机械、电子等技术模仿生物体的结构和功能实现工程应用的一门学科，渗透并结合有生物学、生物物理学、电子学、控制论、人机学、数学、心理学以及自动化技术等。随着仿生学的不断发展，人们开始运用已有技术模拟生物结构和功能,从而解决一些工程问题。2.1.2测试计量系统对生命系统的模拟从米勒建立的生命系统理论开始，随着生命科学现象、规律及其模型研究的不断扩大和深入，人们发现测量系统与生命系统具有深刻的相似性，这使测量系统可以共享生命系统模型的科学依据。起初它的发展就是从模仿人类对周围事物的感知能力开始的，后来扩展到创造工具和仪器来延伸这种能力。随着人们利用测量系统对生命系统模拟的深入，借鉴生命现象的机理和运行规律模型来解决测试理论和仪器工程中的问题成为测试理论和仪器科学创新的有效途径，因此逐步产生了仿生测试理论，从而产生了仿生测试理论中的首要环节—仿生传感器技术。2.2仿生传感器的含义仿生传感器就是基于生物学原理并结合现代工程技术设计出的一种新型传感器，具有某些生物的独特性能。2.3仿生传感器的类型和基本原理仿生传感器从类型上讲，主要是功能仿生传感器。例如：听觉、视觉、力觉、触觉、滑觉、重力觉、味觉、接近觉、热觉、嗅觉等功能是进行功能模仿的主要来源和对象。90年代以来，功能仿生一大进展是对一些动物感觉器官特殊敏感功能的研究，导致了一系列工程测量问题的圆满解决。2.3.1听觉和视觉传感器听觉传感器主要指语音识别，它是将声音信号经过检测转换电路转化为相应电信号，再通过信号处理来进行识别。实现语音识别的集成电路典型型号有TMS320CSOPQ和TMS320CGBL等。听觉传感器的典型应用是能使机器人实现“人—机”对话。视觉传感器是从整幅图像捕获光线的数以千计的像素点，通过对图像的处理用来检测对象的形状、位置、方向及明暗等特征。它包括位置觉传感器和色觉传感器，主要是用电视摄像机和计算机技术来实现的。通过色觉传感器检测对象物体的有无，再通过位置觉传感器判断对象物体的位置及形状特征，最后通过计算机处理，提取并识别对象特征。接近觉传感器是一种特殊的视觉传感器，它只感知距离信息，根据距离信息判断对象特征。2.3.2触觉传感器触觉也正在被人工仿真用于研制人工触觉器。美国伊利诺斯大学的研究人员研制了一种像头发一样的触觉传感器。许多动物和昆虫都能用其毛发辨别许多不同事物,包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用性能很好的玻璃和多晶硅制造的,通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。这种人造发毛的大型阵列可用于空间探测器上,其探测周围环境的能力远远超出当今己有的任何系统,美国宇航局目前正积极参与这项研究。这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这一问题,研究人员首先研究和模仿了人类自身触觉系统的工作。每个手指大约有200根神经,而且还有错综复杂的表皮纹理,所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是由于皮肤的弹性就像一个低通滤波器,能滤掉一些细枝末节,所以才使大脑的这项处理简化可行。研究者正利用仿生技术解决人造毛发数据量过大的问题。2.3.3嗅觉传感器人类的嗅觉和味觉是分别对被测的具有挥发性的气体分子和液态中的非挥发性的离子和分子敏感的感受器官。由于是一种化学量和生物量的识别器官,因此相对与对物理量识别的视觉、听觉和触觉的研究而言,技术发展滞后,研究手段更加复杂,更重要的是有关人类嗅觉和味觉敏感机理的研究一直处于发展比较迟缓的状态。近十多年来,随着生命科学和人工智能的快速发展,特别是生命科学与信息科学的交叉结合,使得人工嗅觉与人工味觉呈现了快速发展的势头。生物嗅觉是由气味物质分子刺激嗅觉感受器引起的。气体分子进人鼻腔,通过嗅球下的嗅粘膜上皮。嗅细胞纤毛伸出嗅上皮表面,纤毛表面的G受体蛋白,被认为是鼻化学感受器。从嗅上皮到大脑的嗅觉传导通路由小球层、僧帽层、颗粒细胞层组成。受体蛋白数目相对较少,使得受体细胞对上千种气味具有交叉敏感性。鼻内嗅细胞具有信号放大、产生第二信使的作用,控制离子通道产生的信号沿轴突从嗅神经传播到嗅球小球层细胞;这些信号经僧帽层细胞和颗粒细胞层传人大脑。对于嗅觉的敏感机理,人们建立了许多模型，但具体细节仍处于摸索中。2.3.4味觉仿生传感技术本世纪发展起来的测量味觉化学传感器是离子选择性电极选择性发展的结果。然而，仅有几种类型的这样的化学传感器可以成为选择性的传感器。最近十年,一个新的概念,即应用一个非选择性的味觉传感器阵列和根据模式识别的特殊的数字信号处理方法。研究不同味觉刺激在味感受器细胞和传人神经纤维引起的电反应时得到的结果,使我们对味觉信息编码规律有较深入理解。在记录单条味觉传人纤维的传人冲动时发现,一条神经并不只对一种基本味觉刺激起反应。如对咸有反应的纤维对酸也有反应,对酸有反应的纤维对苦也有反应等。这说明一种味道并不是简单的由一条或一组只对这一味道起反应的纤维传向中枢的。研究也发现,每个味觉细胞几乎对四种基本味觉刺激都起反应,但在同样克分子浓度的情况下,只有一种刺激能引起最大的感受电位,其他三类刺激则只引起幅度较小的感受电位。由此我们可得出结论,中枢“判别”感受器受了何种刺激,不可能单纯根据来自对某种刺激的敏感性很好的那些传递电路的传人信号的高低,而是必须同时对照来自那些对这一刺激并不敏感的传入通路的传入信号的高低。每种刺激在对四种基本刺激的敏感度各不相同的传人纤维上引起的传入冲动数量多少的组合形式是各有特异性的。由此可见,通过对于各具有一定特异性的信息通路的组合形式的对比,是中枢分辨外界刺激的某些属性的基础。3仿生传感器的发展瓶颈虽然仿生传感器已经取得了很大的进步和发展，但其稳定性、可靠性和批量生产等方面存在明显不足，所以仿生传感技术尚处于初级阶段，以后还有待继续加强技术的发展，同时生物活性膜的固定化技术和仿生传感器的固态化也值得进一步研究。4结束语传感器技术最近的发展趋势表明，未来的传感器可能包括额外的功能和能够自我校准和偶尔的自我修复。研究的方向就是进一步减小传感元件的尺寸和这些传感器所耗的能源，未来的传感器将是基于网络的，并完全集成到最终的系统或产品的自主传感器网络的一部分。这些传感器系统将高度的微型化、智能化、多功能化和无线网络化等优良性能集于一身。传感器技术在广泛应用于工业、国防、航空航天等尖端科学工程领域的同时，正以快速的步伐向与人们生活息息相关的方面发展。可以预见不久的将来，传感器将充斥着我们生活的方方面面，到时候大街小巷到处都是一些智能交通传感器网络，就连我们每个人的身体里都植入有健康监测传感器网络，它随时随地可以监测我们的健康状况。现代科学技术的飞速发展以及社会对高性能、高适用性传感器的迫切需要，极大地推动了传感器技术的发展。生物工程、医疗卫生、环境保护、安全防范、家用电器等方面的传感器已层出不穷，并在日新月异地发展变化，我们有理由相信，只要我们能够大胆地想象勇敢地探索，传感器的未来世界一定会更加美好，传感器这颗璀璨的明珠，必将放射出更加耀眼的光芒。《现代检测技术》实践教学作业班级：研1414专业：控制工程姓名：法晓学号：143085210509