人眼可以區(qū)分?jǐn)?shù)百萬(wàn)種顏色，人耳可以聽(tīng)出 50 萬(wàn)種音調(diào)，而與人類(lèi)的嗅覺(jué)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(wàn)億種氣味。對(duì)于視覺(jué)系統(tǒng)，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了機(jī)器視覺(jué)；對(duì)于聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)，科學(xué)家研發(fā)了語(yǔ)音識(shí)別。那是否存在一種可能性，制造一套人工嗅覺(jué)系統(tǒng)呢？

新加坡南洋理工大學(xué)（NTU）的研究人員通過(guò)模仿哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)，發(fā)明了人工“電子鼻”，可準(zhǔn)確評(píng)估肉類(lèi)的新鮮度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，“電子鼻”檢測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)至 98.5%，而傳統(tǒng)檢測(cè)方法只有 61.7%。

該研究成果由 NTU 聯(lián)合中國(guó)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(jìn)材料》上。

真正實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、無(wú)損檢測(cè)

食物中毒幾乎是人人都有過(guò)的經(jīng)歷。因?yàn)槭秤昧吮晃廴镜氖澄铮颊咄鶗?huì)上吐下瀉。其致病機(jī)理是食物中的細(xì)菌或者病毒進(jìn)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(zhǔn)確對(duì)其新鮮度進(jìn)行評(píng)估。

“準(zhǔn)確” 不意味著嚴(yán)格，而是適中。消費(fèi)者因?yàn)閼岩纱鎯?chǔ)在冰箱內(nèi)的肉類(lèi)變質(zhì)而丟棄，會(huì)造成大量浪費(fèi)；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(xiàng)目負(fù)責(zé)人，NTU 材料科學(xué)和工程學(xué)院陳曉東教授對(duì) DeepTech 介紹了當(dāng)前主流肉類(lèi)檢測(cè)方法的弊端。

目前，測(cè)定肉類(lèi)采用的是揮發(fā)性鹽基氮法。在肉類(lèi)長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中，由于酶和細(xì)菌的作用，蛋白質(zhì)、脂肪和糖類(lèi)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(lèi)被釋放出來(lái)。通過(guò)檢測(cè)這類(lèi)物質(zhì)的量，進(jìn)而反推肉類(lèi)的新鮮度。該方法主要的弊端在于，需要特定的儀器進(jìn)行檢測(cè)，其使用不便，檢測(cè)復(fù)雜。這意味著只能由政府相關(guān)部門(mén)、相關(guān)人員，使用儀器在特定的環(huán)境和場(chǎng)合進(jìn)行檢測(cè)，效率低、可使用場(chǎng)景少，還存在測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題。

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

首先，要理解哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)的工作原理。對(duì)于哺乳動(dòng)物來(lái)說(shuō)，嗅覺(jué)系統(tǒng)起作用要從鼻子吸入氣體開(kāi)始。氣體接觸到包含有多種嗅覺(jué)感受器的嗅覺(jué)上皮細(xì)胞，這些嗅覺(jué)感受器對(duì)很多范圍的氣體分子呈現(xiàn)親和性，之后嗅覺(jué)神經(jīng)將感受器激活成電信號(hào)，傳到給嗅球，再經(jīng)過(guò)嗅球傳遞，直到大腦，最終識(shí)別氣體并決定氣體濃度。

總的來(lái)說(shuō)，哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可以分成兩部分，一是感受器接觸氣體，此時(shí)形成的神經(jīng)信號(hào)像是氣味指紋（scent fingerprint），必須經(jīng)過(guò)解讀才能得到結(jié)果。第二步則是信號(hào)通過(guò)神經(jīng)傳遞給大腦，對(duì)氣氛指紋做出解讀。

用更加專(zhuān)業(yè)的詞匯來(lái)說(shuō)，模仿哺乳動(dòng)物的嗅覺(jué)系統(tǒng)，需要復(fù)制兩個(gè)功能：交叉反應(yīng)傳感和氣味指紋模式識(shí)別。

這恰好也對(duì)應(yīng)了 “電子鼻” 的兩個(gè)組成部分：條形碼和閱讀器。前者放置于肉類(lèi)周?chē)瑮l形碼因?yàn)槿忸?lèi)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。 

圖｜哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統(tǒng) VS. 人工嗅覺(jué)系統(tǒng)

這兩個(gè)部分哪個(gè)更為關(guān)鍵？陳曉東坦言：“電子鼻識(shí)別肉類(lèi)新鮮度之所以比傳統(tǒng)方法準(zhǔn)確度高，并不是因?yàn)槲覀儥z測(cè)了更多種類(lèi)的氣體，而是對(duì)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(gè)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(lèi)型的的殼聚糖、染料和醋酸纖維組成的多空納米復(fù)合材料構(gòu)成。當(dāng)其置于待測(cè)肉類(lèi)之上，條碼中的鹵素染料根據(jù)氣體類(lèi)型和濃度發(fā)生交叉反應(yīng)，顯示出彩色條形碼（氣味指紋）。

圖｜“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(lán)（BPB）的染料，當(dāng)遇到微生物降解蛋白質(zhì)產(chǎn)生的生物胺，其羥基基團(tuán)分裂，可見(jiàn)色從黃色變成藍(lán)色。當(dāng)暴露在不同濃度的氣體中時(shí)，條碼的每一條都會(huì)有不同顏色或顏色范圍。

設(shè)計(jì)條形碼與肉類(lèi)揮發(fā)氣體反應(yīng)并不困難，困難的是面對(duì)千變?nèi)f化的變色條碼，應(yīng)該如何解讀。設(shè)想人的嗅覺(jué)系統(tǒng)，當(dāng)聞到肉類(lèi)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(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練條形碼 “閱讀器”，直到系統(tǒng)能準(zhǔn)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(gè)標(biāo)定后的準(zhǔn)確結(jié)果。他們使用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，為肉類(lèi)的新鮮程度分類(lèi)：新鮮、不新鮮和變質(zhì)。每一種分類(lèi)都會(huì)對(duì)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(lèi)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(kāi)包裝的情況下，使用智能手機(jī)拍攝條形碼圖像。最終，他們得到了 4161 張肉類(lèi)圖像，并隨機(jī)分成兩組：一組有 3475 張，用來(lái)訓(xùn)練模型；另一組 686 張用來(lái)測(cè)試。

識(shí)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(guò)訓(xùn)練后，用 686 張圖像測(cè)試，讓系統(tǒng)判斷該條形碼對(duì)應(yīng)的肉類(lèi)屬于新鮮、不新鮮或者變質(zhì)，準(zhǔn)確度高達(dá) 98.5%。

這種新型 “電子鼻”，在肉質(zhì)新鮮度檢測(cè)上，真正做到了便攜、準(zhǔn)確和無(wú)損。陳曉東介紹，在此之前，類(lèi)似的電子鼻存在的問(wèn)題往往是過(guò)于笨重，例如拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的電源線。或者是檢測(cè)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(jī)即可。操作人員拍下條形碼，使用專(zhuān)門(mén)開(kāi)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。

圖｜使用手機(jī) APP 可識(shí)別條形碼

陳曉東表示，由于電子鼻足夠便攜，未來(lái)可以對(duì)肉類(lèi)食品進(jìn)行全鏈條監(jiān)測(cè)。正如之前所說(shuō)，傳統(tǒng)的揮發(fā)性鹽基氮評(píng)估肉類(lèi)新鮮度需要笨重的儀器，這就限制了它的使用。而電子鼻可以用在屠宰場(chǎng)、包裝、冷鏈運(yùn)輸、超市，甚至消費(fèi)者可以自行購(gòu)買(mǎi)在家檢測(cè)。

需要特別說(shuō)明的是，條形碼使用的材料是生物可降解的、無(wú)毒的，基于生物相容性和環(huán)保原則設(shè)計(jì)的。

應(yīng)用遠(yuǎn)不止肉類(lèi)檢測(cè)

陳曉東對(duì) DeepTech 說(shuō)：“外界只關(guān)注到‘電子鼻’的概念，但真正要關(guān)注的是人工嗅覺(jué)系統(tǒng)。” 這意味著，在理論上，一切用嗅覺(jué)可以完成的工作，“電子鼻” 都可以做到。

陳曉東舉了個(gè)例子。檢測(cè)肉類(lèi)新鮮度，實(shí)質(zhì)上是檢測(cè)胺類(lèi)物質(zhì)的含量。同樣的原理，如果評(píng)估食用油的新鮮度，那就需要檢測(cè)酸類(lèi)物質(zhì)的含量。因?yàn)橛驮谧冑|(zhì)過(guò)程中會(huì)酸化。肉類(lèi)和食用油，檢測(cè)標(biāo)的變了，但原理一致。研究人員只要重新制作對(duì)于酸類(lèi)物質(zhì)敏感的條形碼，按照同樣的邏輯訓(xùn)練系統(tǒng)識(shí)別即可。

如果再將使用領(lǐng)域擴(kuò)大，電子鼻具備用在公共安全和危險(xiǎn)品檢測(cè)的潛力。很多化學(xué)危險(xiǎn)品本身就有特殊的氣味，這也是警犬能夠識(shí)別它們的原因，如果能用電子鼻快速準(zhǔn)確的識(shí)別該類(lèi)物質(zhì)，能夠提高檢測(cè)效率和安全性。

普及仍需時(shí)間 

人工嗅覺(jué)系統(tǒng)使用前景廣闊，但是研究起來(lái)并不容易。陳曉東說(shuō)，使用電子鼻評(píng)估肉類(lèi)新鮮度，看似簡(jiǎn)單，整個(gè)研究用了兩年。如果要做到準(zhǔn)確評(píng)估食用油、乃至冷鏈運(yùn)輸檢測(cè)、公共安全和危險(xiǎn)品檢測(cè)，還需要很長(zhǎng)的時(shí)間。而在商業(yè)化上，當(dāng)前也存在障礙。

首先，使用手機(jī)對(duì)條形碼牌照，再上傳分析，存在誤差。每個(gè)使用者的手機(jī)像素不同、拍攝環(huán)境不同、拍照水平不同，同一個(gè)條形碼，不同人拍攝顏色出入較大，而識(shí)別系統(tǒng)恰恰依靠顏色做判斷，這是不穩(wěn)定因素之一。陳曉東已經(jīng)意識(shí)到這一點(diǎn)，在他看來(lái)，未來(lái)如果商業(yè)化，需要研發(fā)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的手持設(shè)備來(lái)讀取結(jié)果，僅僅依靠手機(jī)拍照是不行的。

此外，對(duì)于大型超市而言，它們是不傾向于用電子鼻監(jiān)測(cè)肉類(lèi)新鮮度，尤其是包裝類(lèi)產(chǎn)品，這是一個(gè)責(zé)任歸屬的問(wèn)題。肉類(lèi)包裝上已經(jīng)注明的生產(chǎn)日期和保質(zhì)期，消費(fèi)者只需要按照規(guī)定食用即可，超市沒(méi)有責(zé)任。如果超市自己監(jiān)測(cè)，并保證肉類(lèi)新鮮，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，責(zé)任就歸到了超市一方。

但無(wú)論如何，消費(fèi)者對(duì)肉制品乃至其他各類(lèi)食品的安全性要求是不斷提升的，電子鼻的商業(yè)化也需要一步步推進(jìn)。陳曉東等人已經(jīng)為其申請(qǐng)了專(zhuān)利，他們希望電子鼻未來(lái)能夠在食品工業(yè)和公共安全中廣泛應(yīng)用，為消費(fèi)者和食品供應(yīng)鏈中的利益相關(guān)者提供一種便捷的檢測(cè)方法，從而讓公眾建立對(duì)食品安全的信心。

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