炎炎夏日，新裝修的房間里總藏著無(wú)形的“健康殺手”——甲醛。這種無(wú)色但有刺激性氣味的氣體，是室內(nèi)污染的主要元兇之一，也是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和智能家居領(lǐng)域的“重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象”。
如何讓機(jī)器模擬和超越人類(lèi)鼻子的功能，快速、準(zhǔn)確地“聞”出甲醛的濃度？華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院劉歡教授團(tuán)隊(duì)的最新研究，給出了一個(gè)巧妙的解決方案。
近日，劉歡教授牽頭的“量子人工嗅覺(jué)”青年團(tuán)隊(duì)，在半導(dǎo)體材料與人工智能交叉領(lǐng)域取得重要突破。
他們?yōu)殡娮颖菣C(jī)器嗅覺(jué)設(shè)計(jì)了一套“材料-算法協(xié)同優(yōu)化”（MACO）的“黃金組合”：一方面，通過(guò)調(diào)控半導(dǎo)體氣敏材料的表面活性和電子結(jié)構(gòu)，讓氣體傳感器對(duì)甲醛更“敏感”、相比對(duì)其他干擾氣體更“專(zhuān)一”；另一方面，用機(jī)器學(xué)習(xí)算法給傳感器“裝大腦”——將多個(gè)傳感器組成陣列，采集它們接觸氣體時(shí)的動(dòng)態(tài)“反應(yīng)數(shù)據(jù)”，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)特征組合編碼，再通過(guò)線性判別分析（一種數(shù)據(jù)分析方法）解碼這些信號(hào)，就像給不同氣體蓋上了“電子指紋”。
這套“組合拳”效果如何？實(shí)驗(yàn)顯示，經(jīng)過(guò)材料-算法協(xié)同優(yōu)化的電子鼻不僅能精準(zhǔn)識(shí)別甲醛，還能像精密天平一樣“稱”出它的濃度。更厲害的是，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)了電子鼻機(jī)器嗅覺(jué)的“底層邏輯”：傳感器陣列的組合編碼原理遵循質(zhì)量作用定律（類(lèi)似化學(xué)反應(yīng)中物質(zhì)濃度的規(guī)律），這為后續(xù)迭代設(shè)計(jì)提供了清晰的理論指導(dǎo)。即使面對(duì)甲醛與其他氣體的混合環(huán)境，這個(gè)“電子鼻”也能快速適應(yīng)，給出可靠的檢測(cè)結(jié)果。
為什么要做這項(xiàng)研究？因?yàn)閭鹘y(tǒng)的半導(dǎo)體氣體傳感器要么“太笨”——只能粗略判斷有無(wú)有害氣體，無(wú)法定量檢測(cè)；要么“太嬌”——對(duì)環(huán)境變化敏感，對(duì)算法和算力依賴程度高。而劉歡團(tuán)隊(duì)的成果，讓電子鼻能夠輕松擁有了“火眼金睛”（高選擇性）和“精準(zhǔn)秤”（定量檢測(cè)能力），未來(lái)有望廣泛應(yīng)用于工廠廢氣監(jiān)控、家庭空氣凈化，甚至火星探測(cè)等需要“聞”氣體的場(chǎng)景。
從“聞味識(shí)物”到“知味算量”，這場(chǎng)發(fā)生在微小傳感器上的技術(shù)革命，不僅是材料科學(xué)與人工智能的碰撞，更是人類(lèi)用科技拓展感知邊界的生動(dòng)注腳�；蛟S不久的將來(lái)，我們的手機(jī)就能集成這樣的“電子鼻”芯片，隨時(shí)提醒：“當(dāng)前甲醛濃度0.03mg/m3，安全！”——這，就是科學(xué)為生活寫(xiě)下的最溫暖的注腳。
（華中科技大學(xué)供圖）
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