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科學(xué)家實現(xiàn)生物傳感器新突破 但廣泛應(yīng)用仍面臨困難

2021-03-16 15:59:09來源：儀表網(wǎng) 閱讀量：146 評論

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導(dǎo)讀：機器人聽覺主要有三大功能：聲源定位、聲源分離、分離后的聲音識別。

　　第四十屆語音信號處理會議 ICASSP2015 上，一篇題為《機器人聽覺：興起與展望》的論文提到：機器人用“耳朵”同時聽到幾件事，正是基于其聽覺能力，這也是改善人機互動與共生的重要因素。
 
　　機器人聽覺主要有三大功能：聲源定位、聲源分離、分離后的聲音識別。
 
　　其聽覺的關(guān)鍵在于對噪聲環(huán)境的實時處理和魯棒性，以及對各種機器人和硬件配置的高靈活性。通俗來講，要想讓機器人“聽見”，就需要麥克風(fēng)陣列將聲音信號轉(zhuǎn)換為電信號，隨后經(jīng)過對電信號進行處理，獲得聲音包含的信息。
 
　　當(dāng)然，打造機器人聽覺，說起來容易做起來難。機器人的聽覺系統(tǒng)需要傳感、機械、控制等因素的協(xié)調(diào)配合，可謂涵蓋了多個學(xué)科，要想做到像人耳那樣(能聽辨出聲音類型、內(nèi)容、來源、遠近、方位等)是一件困難的事情。
 
　　前不久，該團隊題為 《耳朵機器人：蝗蟲耳朵芯片生物混合平臺》的研究成果正式發(fā)表于《傳感器》雜志。
 
　　生物耳朵有何優(yōu)勢？這項研究中，研究團隊選定的主角是蝗蟲。
 
　　原因在于，經(jīng)過數(shù)億年的進化，昆蟲已經(jīng)獲得了一些自然界中高效強大的感知器官，如果把這些感知器官視作傳感器，那么相比眾多人造傳感器，這種傳感器的優(yōu)勢在于體積小、重量輕、功耗低、可適用于多變的環(huán)境。
 
　　尤其是在聽覺方面，昆蟲的聽覺傳感器經(jīng)過多次進化，已經(jīng)可以發(fā)揮場景分析、交流的功能，有著高度的多樣性，具體來看：形態(tài)上，其耳朵可以是近場敏感的觸角，也可以是遠場敏感的鼓膜。功能上，可以是窄帶過濾器(蚊子)，也可以是寬帶傳感器(夜蛾)。神經(jīng)處理上，可以只有一個神經(jīng)元(夜蛾)，也可以有數(shù)千個干預(yù)神經(jīng)元(雄性蚊子耳朵有 15000 個神經(jīng)元)。
 
　　而沙漠蝗蟲耳朵較為敏感，所涵蓋的頻率范圍廣，可以被作為一個很好的從神經(jīng)系統(tǒng)讀取電生理信息的模型。
 
　　研究團隊表示：目前為止，還沒有哪項研究證明生物混合機器人平臺(bio-hybrid robotic platform)能夠通過生物傳感器對聲音做出反應(yīng)。在機器人平臺上加入生物傳感器，可以有兩方面優(yōu)勢，一是可以將其行為、能力與特征鮮明的自然蝗耳進行比較，二是可以將其與純粹的技術(shù)設(shè)備(麥克風(fēng)陣列)進行比較。
 
　　生物傳感器(biosensor)，是一種對生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號進行檢測的儀器。是由固定化的生物敏感材料作識別元件(包括酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))、適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器(如氧電極、光敏管、場效應(yīng)管、壓電晶體等等)及信號放大裝置構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。生物傳感器具有接受器與轉(zhuǎn)換器的功能。
 
　　論文顯示，研究團隊設(shè)計了一個生物混合平臺 Ear-Bot，它集成了沙漠蝗蟲的聽覺系統(tǒng)作為傳感輸入，與一個移動機器人平臺相連接。通俗來講就是，打造一個蝗蟲耳朵芯片 Ear-Chip，將其作為機器人的聽覺傳感器。在這個過程中，團隊利用到了微生理系統(tǒng)(MPS，也稱芯片上的器官 OoC)的新發(fā)展，也就是“人體器官芯片技術(shù)”。
 
　　人體器官芯片是一項新興的前沿技術(shù)，簡單來講就是指一種在載玻片大小的芯片上構(gòu)建的器官生理微系統(tǒng)，包含著活體細胞、組織界面、生物流體等器官微環(huán)境的關(guān)鍵要素，因此可以在體外模擬人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)功能特征以及器官間的聯(lián)系。
 
　　值得一提的是，研究團隊通過 SolidWorks CAD 軟件對芯片進行了設(shè)計，然后通過 3D 打印生物相容性牙科透明樹脂進行芯片的制作，終成功地創(chuàng)造了一種持久的微型感應(yīng)裝置。同時，Ear-Bot 還配備了定制電極，可測量耳朵的電生理反應(yīng)，并將其傳遞給機器人。機器人還集成了處理信號和運行不同算法所需的所有電子設(shè)備(包括前置放大器、電路板等)。除了定制芯片 Ear-Chip 和電極以外，該機器人平臺還包括一個信號放大器、一個控制器和信號處理器系統(tǒng)(CSPS)
 
　　研究人員拍拍手，蝗蟲耳朵就會識別出聲音并將其轉(zhuǎn)換為電信號，并將其傳輸至機器人的電生理測量系統(tǒng)、控制器和信號處理系統(tǒng)。值得一提的是，Ear-Bot 系統(tǒng)能夠在混雜的噪聲中區(qū)分出電機和拍手的聲音。
 
　　也就是說，蝗蟲耳朵對各種頻率都較為敏感，可對真實的聲音做出反應(yīng)。如下圖所示，其響應(yīng)在 3.5 kHz(±2)左右，對來自不同方向的聲音的響應(yīng)無顯著變化，且對距離在 5-35cm 之間的聲音響應(yīng)無差異?？梢?，Ear-bot 能夠?qū)碜圆煌较蚝途嚯x的聲音做出反應(yīng)。
 
　　隨著生物科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動，生物傳感器技術(shù)飛速發(fā)展。但是，生物傳感器的廣泛應(yīng)用仍面臨著一些困難，今后一段時間里，生物傳感器的研究工作將主要圍繞選擇活性強、選擇性高的生物傳感元件；提高信號檢測器的使用壽命；提高信號轉(zhuǎn)換器的使用壽命；生物響應(yīng)的穩(wěn)定性和生物傳感器的微型化、便攜式等問題。
 
　　原標(biāo)題：科學(xué)家實現(xiàn)生物傳感器新突破 但廣泛應(yīng)用仍面臨困難
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