基于嗅觉模型的电子鼻仿生信息处理技术研究进展

受生物嗅觉原理的启发, 将现代传感技术、电子技术和模式识别技术等紧密结合研制成的新颖仿生检测仪器——电子鼻已经在许多领域引起了广泛重视. 生物嗅觉基础研究的成果与计算神经科学交融, 又进一步丰富了人工嗅觉理论, 促进了电子鼻的发展. 文中综述和比较了生物嗅觉与人工嗅觉的信息处理原理, 概述了几种嗅觉模型在电子鼻仿生信息处理中的应用现状, 并结合作者的研究工作, 着重介绍了一种混沌嗅觉神经网络及其学习规则和时空动力学特性应用于电子鼻的研究进展和前景展望. 将生物嗅觉的各种现象、机理融入到电子鼻信息处理技术中, 不仅增强了电子鼻的仿生概念, 而且在气味识别中能更接近生物嗅觉的优良性能, 但是也面临许多问题有待技术界和理论界协力解决.     

仿生嗅觉感知技术及其在嗅觉障碍疾病筛查中的研究进展

嗅觉障碍是多种疾病的早期症状,如新型冠状病毒感染的症状之一是嗅觉丧失,阿尔茨海默病和帕金森病患者通常伴有嗅觉降低或丧失.研究基于嗅觉功能检测的早期疾病筛查和诊断技术对控制患者病情、改善人类健康具有重要意义.目前嗅觉功能障碍的检测与评价方法尚不能有效地筛查和诊断各类嗅觉障碍相关疾病,而仿生嗅觉感知技术在模拟人类嗅觉感知系统方面具备一定的灵敏度、选择性和准确度,因此在嗅觉障碍相关疾病筛查中具有广阔的应用前景.本文介绍了目前国内外嗅觉功能障碍相关疾病的研究现状,分析了仿生嗅觉感知技术的原理及其在嗅觉障碍与疾病相关性检测与诊断中的研究进展.随着生物医学工程领域多学科交叉融合的发展,细胞网络芯片、类器官仿生芯片以及脑机交互技术的转化应用将促进仿生嗅觉感知技术在嗅觉障碍相关疾病研究中的发展以及临床疾病诊断技术的革新.     

味觉传导机理及味觉芯片技术研究进展

在人类的敏感器官方面, 味觉的研究明显落后于视觉、听觉、触觉和嗅觉. 针对酸、甜、苦、咸、鲜等多种不同味觉, 人类及动物的味觉细胞内存在有多种不同的传导感受机制, 但由于缺乏在细胞和分子水平上进行有效的研究手段, 有关味觉的研究仍在探索中. 近年来, 随着分子生物学和电生理研究的不断深入, 味觉细胞的传导编码机制研究取得了很大的进展. 结合我们实验室多年来在人工嗅觉与人工味觉和细胞传感器方面的研究基础, 对近年来国际上有关味觉的传导机理和细胞芯片技术的最新发展进行了综合评述. 在此基础上, 结合我们当前的研究工作, 重点介绍了细胞芯片这一生物学与微电子技术交叉领域研究的最新成果, 对味觉细胞芯片及其应用前景进行了论述, 提出了仿生味觉芯片和味觉细胞芯片的研究方向, 并在细胞和分子水平上对味觉的研究进行了初步探讨.     

利用动物嗅觉诊断癌症技术的研究进展

肺癌是威胁人类生命健康最主要的恶性肿瘤之一,实现无创、快速的早期肺癌诊断技术对提高患者的生存率有重要的意义.大量研究结果表明,癌症患者的人体代谢气味,如呼出气体、体液以及排泄物中含有健康人不具有的特异性挥发气体.哺乳动物能够辨别并记忆约一万种不同的气味,部分具有异常高灵敏嗅觉系统的哺乳动物能检测到空气中极其痕量的气体分子.因此,动物的嗅觉在缉毒、搜爆、反恐等社会防范方面发挥着重要的作用.目前,国外学者研究发现哺乳动物能够正确区分癌症患者与健康人的代谢气体,并证明了用哺乳动物检测人体呼出气体从而实现肺癌诊断的可行性.本文首先分析了目前肺癌呼出气体的诊断方法,包括气相色谱-质谱联用方法和正在发展中的仿生电子鼻检测方法,在此基础上,本文重点介绍了基于动物嗅觉进行呼出气体检测诊断肺癌的研究现状,并结合我们实验室进行的利用动物嗅球在体检测气味诊断肺癌的研究工作,介绍了基于动物嗅觉检测肺癌的"在体生物电子鼻"研究进展,最后对该领域的发展趋势进行了展望.     

大有可为的仿生材料学

美国戴顿研究所正在研究甲壳虫是如何将糖及蛋白质转化成为质轻然而强度很高的坚硬的外壳;华盛顿大学的研究人员正在试图揭示蜘蛛吐出的水溶蛋白质是如何变成不可溶的丝,而丝的强度竟比防弹背心材料还要坚韧;普林斯顿大学的科学家们正在探索鲍鱼(古称石决明)是如何将海水中的白垩(碳化钙)结晶,并将其转化成强度两倍于高级陶瓷的贝壳。此外,自然界中还有许许多多具有神奇功能的普通物质,例如锋利的鼠牙竟可以咬透金属罐头盒;胡桃木及椰子壳     

Wolbachia感染显著提高果蝇的嗅觉反应

以拟果蝇Drosophila simulans为研究对象, 采用嗅觉陷阱并结合T-迷宫法测定了Wolbachia感染对果蝇嗅觉反应的影响. 同时, 采用定量PCR方法, 研究了果蝇嗅觉反应能力与其体内Wolbachia的密度和4个嗅觉相关基因表达的关系. 结果表明, Wolbachia感染能够显著提高果蝇的嗅觉反应能力, 表现为寻找食物的时间缩短, 被陷阱捕获的百分比增大, 对气味更加敏感. 随着嗅觉反应时间的延长, 果蝇体内的Wolbachia密度呈减少的趋势. 15日龄果蝇体内的i密度, 在不同嗅觉反应时间的果蝇体内存在显著差异, 果蝇体内Wolbachia的密度越高, 嗅觉反应能力越强. 嗅觉反应能力强的果蝇, 其体内嗅觉受体基因or83b的表达量显著高于嗅觉反应能力差的果蝇. 结果表明, Wolbachia可能通过调节宿主嗅觉相关基因的表达, 从而提高宿主的嗅觉反应能力.     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

细胞传感器的研究进展

细胞传感器（cell-hased sensor)是生物传感器研究中的一个热点，它利用活细胞作为探测单元，可以测量被分析物的功能性信息，细胞传感器敏感性高，选择性好，响应迅速，在生物医学，环境监测和药物开发中有广泛的应用，近年来，细胞培养技术，硅微机械加工技术及基因技术的发展，进一步推动了细胞传感器的研究，为阐明近年来国际上细胞传感器的最新研究成果和进展，综合评述了各类细胞传感器的研究方法，应用领域和面临的挑战，最后，提出了细胞传感器的发展方向。     

旋齿鲨属(Helicoprion Karpinsky 1899)在中国的首次发现

基于一个呈正、反面保存, 完整愈合的齿圈标本, 描述了产自湖北荆门子陵下二叠统栖霞组灰岩中发现的旋齿鲨属一新种—荆门旋齿鲨(Helicoprion jinmenense sp. nov.). 标本具有4 1/3圈的椭螺旋形齿圈; 齿冠切叶较宽, 且从3个半齿圈的开始, 宽度大于高度; 中部的高度大于切叶的高度; 基部较短; 外部2个齿圈相邻二齿冠间存在明显的“不被珐瑯质覆盖的间隙”; 复合齿根高度中等, 中央凹槽高度约为同一齿冠高度的1/10; 脉管孔位于齿冠中部靠下; 海绵状齿骨质层发育. 与国外已知的旋齿鲨分子相比, 与H. ferrieri和H. bessonowi存在一定的相似性, 但H. ferrieri的切叶较短, 基部较长、复合齿根较宽. 而H. bessonowi除了具有一个相对较宽的复合齿根外, 每一个齿圈上齿冠的数目大于40个, 多于新种每一个齿圈上齿冠的数目. 新种在总体形态、大小和组织学特点上与中国以往所报道的旋齿鲨类化石不同, 但由于后者模式标本保存的不完备性, 因此, 很难确定它们之间的相互关系. 新种不仅是中国境内迄今所发现的最完整的旋齿鲨类齿旋化石, 而且也是中国首次发现的旋齿鲨属化石, 具有重要的生物学、生物地层划分对比和生物地理意义.     

龙涎香——来自深海的嗅觉传奇

龙涎香来源之谜 对于香水行业来说,龙涎香可谓难以言喻的至宝．人们青睐这种东西已近千年．却困惑于对其气味进行准确的描述,他们说龙涎香复杂的气味像上好的烟草、老教堂的木头、潮汐、檀香木、清新的泥土、阳光下的海草、巴西坚果,等等。     

结合光遗传神经调控技术的仿生嗅觉传感系统的研究进展

嗅觉系统是一个极其巧妙的化学感受器,嗅感觉神经元对外界的气味刺激产生响应,然后将此信号传递到嗅球进行信号的整合和处理,最终传递到嗅皮层,嗅皮层作为嗅感觉系统的最高级皮层识别出气味信息,这种响应和传递过程具有高度的灵敏性、特异性和快速性.光遗传学是近年来国际上一个新的发展方向,通过光控制神经细胞可诱发细胞按照某一特定频率发放.仿生嗅觉传感器是一种新型化学传感仿生技术,它以嗅觉受体、细胞、组织等生物材料为敏感元件,结合二级变换器实现对气味物质的特异性和高灵敏的检测,从而达到类似生物体嗅觉的检测性能,将其与光遗传技术结合,可以更深入研究仿生嗅觉系统传递的机制.本文概述了近年来国际上光遗传技术在嗅觉机制研究中的研究进展,并结合光遗传在仿生嗅觉传感技术的研究和我们的研究工作,展望了未来该领域可能的发展前景.     

非连续约束变结构机器人运动机构的仿生: 概念及模型

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标, 要进一步提高机器人的品质, 还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决. 我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现, 这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变, 闭环状态下与接触体形成拟态构件长度也有变化的变结构机构, 开环到闭环转变中自由度和约束也呈现非连续变化. 提出了非连续约束的变结构运动机构的概念, 建立了非连续约束的表述方程, 这类机构的驱动和控制设计是机器人运动系统进一步提高性能和效率的关键之一. 借鉴生物脊椎-外周运动神经系统对运动的控制策略, 提出这类机构的运动控制和驱动策略, 并指出腿式机器人未来发展必须解决的若干关键问题.     

中国东部夏季降水与春季土壤湿度的联系

通过对资料的诊断分析, 揭示了中国东部春季土壤湿度与夏季降水的联系, 发现春季从长江中下游到华北的土壤湿度偏湿, 东北土壤湿度偏干时, 对应着中国夏季东北和长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少. 对这种影响的物理过程分析表明, 春季从长江中下游到华北的土壤湿度正异常使得中国大陆东部地表温度降低, 减少了海陆温差, 造成东亚夏季风减弱, 西太平洋副热带高压发展西伸, 从而阻挡了东亚夏季风的北上, 使得中国夏季雨带偏南, 长江流域降水偏多, 华北和南方降水偏少.     

Fe-氧化物薄膜的室温低场正磁电阻和高场负磁电阻

采用对靶溅射技术制备了多相共存的Fe-氧化物薄膜. X射线衍射和X射线光电子能谱的测试表明薄膜存在有多相: Fe, Fe₃O₄, γ-Fe₂O₃, FeO. 高分辨透射电子显微镜结果表明薄膜由柱状颗粒结构组成, 其中核心是未氧化的Fe, 外壳为Fe的氧化物. 在室温时, 低场正磁阻和高场负磁阻共存于Fe-氧化物薄膜中, 利用壳层模型给出了初步解释. 非线性电流-电压曲线和光生伏特效应进一步验证了薄膜的隧穿电导特性.     

麝香酮中间体的仿生合成

名贵香料麝香酮天然来源稀少,它的人工合成一直是有机合成中的一个研究热点和难点。模拟四氢叶酸辅本酶转移一碳单元的反应,利用苯并咪唑盐与格利雅试剂的加成－水解反应,以有机杂环化合物苯并咪唑盐作为甲酸氧化态的四氢叶酸辅酶模型,以双格利雅试剂作为接受一碳单元转移的新核试剂,成功地实现了麝香桐中间体２,１５－十六二酮的仿生合成,为麝香酮提供了一种有重要实用价值的合成方法。     

从形似到神似--新一代的仿生材料

莲花为何出污泥而不染?海豚等身上为何不附着生物?鲍鱼壳的强度为何极高?昆虫何来质轻而坚硬的外壳?有“感觉”的材料是怎么回事……     

软体机器人的仿生物理智能

生物可以在各种非结构化自然环境中生存,其身体中所蕴含的物理智能至关重要,涉及材料、结构和形态等要素.通过融合仿生物理智能,有望降低软体机器人的控制成本,提高机器人系统的响应速度和极端环境下的鲁棒性,以及使微型机器人更加智能化.本文阐述了自然界生物的材料、结构、形态学物理智能特征及其原理,介绍了软体机器人实现仿生物理智能的目的及相关的关键技术与方法,列举了软体机器人仿生物理智能的典型应用,最后展望了软体机器人仿生物理智能的未来发展及挑战.软体机器人仿生物理智能有望在高速动态作业、极端环境探索及微型机器人智能化等方面发挥独特的优势,相关研究将进一步促进生物、机器人、材料、化学和计算机学科之间的交叉.