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人的五感中,嗅覺最為複雜,其機制還沒有完全查明。模仿嗅覺的機制,檢測氣味來源的種類、數量的「嗅覺感測器」的開發在不斷推進。如果能夠實現,便可在通過氣味發現炸彈、發現癌症等許多用途大顯身手。

「就是嗅出C4(塑膠炸彈)的氣味吧。」使用檢測氣味的感測器躲避炸彈。這是2001年上市的戰術動作遊戲《合金裝備2》(Metal Gear Solid 2)中的一幕。雖說當時還只是遊戲裏的內容,但在最近,隨著感知氣味的「嗅覺感測器」的進化,這一場景即將成為現實。

日本九州大學味覺和嗅覺感測器研發中心的副教授小野寺武的研究小組,正在開發利用氣味探測炸彈的嗅覺感測器。

動物嗅到含有氣味成分的化學物質,會感測到氣味成分,在大腦中識別為氣味。該研究組以炸彈成分發出的氣味為對象,利用機械重現嗅覺的感知過程,開發出了能探測爆炸物的嗅覺感測器。其原理是,開發出容易與炸彈成分結合的物質,通過掌握結合時成分性質的變化,探測炸彈的位置。截至目前,探測炸彈使用的是爆炸物探測犬,犬和人都需要接受專門訓練,而且,犬能夠集中精力探測的時間只有幾個小時,因此需要開發一種新的檢測方法。

由於低誤測率物質的開發、特徵分析軟體的開發、設備的小型化等方面存在重重困難,開發曾幾度受阻,但考慮到「啟動開發的2002年,是美國遭遇911恐怖襲擊的第二年。該項目具有深遠的社會意義」,開發最終堅持了下來。

努力沒有白費,小野寺副教授介紹稱,「檢測已經達到了與犬相當的精度」。有研究認為,只要在氣體中達到500ppt(ppt為1兆分之1,10-12)左右的濃度,犬就能嗅出炸彈的成分。而小野寺等人開發的感測器,在溶液中可以檢出的最低濃度僅為5.7ppt。這種嗅覺感測器很快便引起了關注。這是因為機場等公共設施具有提高安全性的社會需求,而且感測器的應用範圍廣,對業務的影響較大。除了探測炸彈以外,嗅覺感測器還可以用來檢測毒品,以及在災害現場探測人的氣味;還可用在案件偵查現場,採集能夠確認身份的氣味,替代指紋成為有力的證據。

已經有飲料製造商開始在其工廠試用嗅覺感測器,在使用生產過果汁的設備生產茶飲料時,儘管清洗了設備,有時還會發生果汁的香味轉移到茶飲料中的情況,嗅覺感測器可用來確認清洗是否徹底。

通過檢測特定成分診斷疾病

嗅覺感測器在醫療領域也有很多應用案例。其目的是利用嗅覺感測器,檢測人呼氣的成分中是否存在某種疾病特有的物質,以便做到早發現、早治療。因為只需要呼氣,所以與血液檢查、採集組織切片的檢查相比,對人體造成的傷害較小。

日本產業技術綜合研究所電子陶瓷部部長申Usoku與主任研究員伊藤敏雄開發的「呼氣氫濃度測量器」就是一個具體事例。申部長介紹說,飯後沒有被完全消化的碳水化合物,在大腸中會被細菌分解發酵,此時會釋放出氫氣。如果在呼氣中檢測到氫氣,就可以判斷消化吸收功能較弱。

根據這一理論,申部長打算開發能在早期發現癌症的嗅覺感測器。日本國立癌症研究中心2015年4月發佈報告稱,推測日本全國的癌症患者人數將在2015年達到98萬人。如果能在早期發現癌症,可以拯救的生命數量也將飛躍式增加。

申部長等人把目光鎖定在了肺癌患者的呼氣中可能含量較多的物質「壬醛」(Nonanal)上,開發出了可以檢測出該物質的感測器,目前正與愛知縣的醫療機構合作,提高檢測精度。「除此之外,還在尋找其他候選的特徵成分,並考慮利用多種物質進行檢測」。

使用嗅覺感測器在早期發現阿茲海默型等失智症,通過訓練大腦,延緩其症狀的發展。正在為此開展研究的,是日本產業技術綜合研究所身體適應輔助工程研究組的主任研究員小早川達。

小早川表示,阿茲海默型失智症的初期症狀有時表現為嗅覺下降。小早川著眼於這一特點,開發了由氣味發生裝置、嗅覺感測器、腦電波儀組成的系統。並利用該系統開展了對照研究,具體方式是,即時檢測有無氣味,並利用腦電波儀查看各人對氣味有無反應。

小早川介紹說:「在實驗中,我們對健康人和嗅覺疾病患者進行了檢測。結果表明,健康人的腦電波在嗅到氣味後會做出反應。」現在,小早川正在努力開發更小型、成本更低的檢測系統。

正如前面介紹的那樣,嗅覺感測器要想在今後實現普及,需要經歷3個研發階段:研究嗅覺的機制、以機制的研究為基礎,開發嗅覺感測器、開發配備嗅覺感測器的裝置。
嗅覺機制的研究方面,東京大學研究所農學生命科學研究科教授東原和成正在積極推進。最近發現了麝香的香味與嗅出其香味的人的嗅覺及大腦區域的關係。

麝香是常被用於香水和芳香劑等的名貴香料,價格不菲,如果能夠以這項研究為基礎,開發出檢測麝香和與之相似香味的嗅覺感測器,就有望開發出低成本的產品。

東京工業大學精密工學研究所教授中本高道在研究蒼蠅對霉臭做出反應的機制。中本教授介紹說:「如果知道蒼蠅會對什麼做出反應,就可以代入嗅覺感測器中,用於食品腐敗等品質檢查。」

東京農工大學研究生物系統應用科學府副教授石田寬,正在開發使用嗅覺感測器的裝置,製作出了配備燃氣氣味感測器的探測裝置。設想的用途是在燃氣工廠檢測燃氣洩漏,以及檢測垃圾填埋場產生的甲烷氣體。在實驗中,風向加大了確定發生源的難度,為此,石田副教授正在開發利用無人機爬升時的氣流,使氣味方向保持一致的技術。

最近,石田副教授還開發出了可以背在身上實施檢測的「嗅覺輔助面具」。在感測到燃氣等特定氣體的氣味後,將利用對人體無害的其他氣味,在面具內重現檢測到的氣味。

石田副教授介紹說:「機器人行動不便,移動性略差。人在某些方面更有利。」除此之外,他還在研究人類能否通過更換嗅覺感測器,代替警犬搜索炸彈、毒品等違禁物品。

能再現香味的電視機

嗅覺感測器的應用事例也已經開始出現。比如檢測實際的香味、重現其味道並讓人嗅到的設備。前面提到的東工大的中本教授率先開展了此類研究,此前開發出了可重現冰淇淋香味和咖哩香味的設備。

電影院、電視機、室外廣告的數位告示(電子廣告牌)等如果能夠根據播放的場景,釋放出對應的香味,便可以提高臨場感和廣告效果。不過,「在電影院等場所釋放香味雖然可以增加沉浸感,但在場景轉換的時候,殘留的香味有可能干擾觀影」。現在,為了讓觀眾嗅到不會有殘留的淡淡的味道,中本教授正在開發佩戴在鼻子附近的頭戴式裝置。

美國調查公司「MarketsandMarkets」的調查結果顯示,嗅覺感測器相關的市場規模在2020年將達到6.91億美元。隨著嗅覺研究的進步,社會可能將會變得更加豐富多彩。