仿生传感器大讲堂：听觉+视觉+触觉传感器介绍

仿生传感器在未来的应用前景是非常好的，毕竟仿生传感器是机器人必不可少的组成。为增进大家对仿生传感器的认识，本文将对仿生传感器中的听觉视觉传感器、触觉传感器、生物传感器予以介绍。如果你对仿生传感器具有兴趣，不妨继续往下阅读哦。

一、仿生嗅觉系统

电子鼻是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工程手段紧密结合研制成的新颖仿生检测仪器.通常,样品挥发的气味与阵列中多个气敏传感器反应,将化学信号转换成电信号,然后经过一系列放大降噪调理、基线校准或归一化等预处理过程,获取并增强该样品所对应的综合指纹信息,再从中提取合适的特征输入到特定的模式识别算法,最终完成对样品的定性或定量辨识。

与生物嗅觉的结构和功能相比较,电子鼻气室内的气敏传感器阵列相当于鼻腔上的嗅上皮, 具有交叉敏感的化学传感器则相当于对多种气味分子敏感的嗅神经元,其作用都将气味的化学信息转换为电信息;预处理的功能类似于嗅球内信号的整合与增强;模式识别原理,特别是人工神经网络(ANN)方法,则一定程度上模拟了大脑皮层信息编码、处理和存储等过程。

气敏传感器阵列实现了气味信息从样品空间到测量空间的转换，是电子鼻信息处理的关键环节。不同传感原理和制作工艺的气敏传感器丰富了电子鼻对气味信息的获取途径，常用的有金属氧化物半导体(MOS),石英晶体微天平(QCM)、导电聚合物(CP)、 声表面波(SAW)等。构建阵列的传感器除了应该满足响应快且可逆、重复性好,灵敏度高等条件,还必须对各种气味广谱敏感(弱选择性),并且阵列中各传感器对同种气味要交叉敏感,以保证从有限数量的传感器中获取更多的气味信息。通常,从传感器阵列中获取的原始信号数据量很大,需要先对其进行特征提取,将模式从较高维的测量空间变换到较低维的特征空间,而模式识别过程则是将特征空间划分为分类空间的过程，它是电子鼻智能化的核心单元。

二、听觉和视觉传感器

听觉传感器主要指语音识别，它是将声音信号经过检测转换电路转化为相应电信号，再通过信号处理来进行识别。实现语音识别的集成电路典型型号有TMS320CSOPQ和TMS320CGBL等。听觉传感器的典型应用是能使机器人实现“人—机”对话。视觉传感器是从整幅图像捕获光线的数以千计的像素点，通过对图像的处理用来检测对象的形状、位置、方向及明暗等特征。它包括位置觉传感器和色觉传感器，主要是用电视摄像机和计算机技术来实现的。通过色觉传感器检测对象物体的有无，再通过位置觉传感器判断对象物体的位置及形状特征，最后通过计算机处理，提取并识别对象特征。接近觉传感器是一种特殊的视觉传感器，它只感知距离信息，根据距离信息判断对象特征。

三、触觉传感器

触觉也正在被人工仿真用于研制人工触觉器。美国伊利诺斯大学的研究人员研制了一种像头发一样的触觉传感器。许多动物和昆虫都能用其毛发辨别许多不同事物,包括方向、平衡、速度、声音和压力等。这种人造毛发是利用性能很好的玻璃和多晶硅制造的,通过光刻工艺由硅基底刻蚀出来的。这种人造发毛的大型阵列可用于空间探测器上,其探测周围环境的能力远远超出当今己有的任何系统,美国宇航 局目前正积极参与这项研究。这种传感器面临的最大挑战是产生的数据量太大。为避开这一问题,研究人员首先研究和模仿了人类自身触觉系统的工作。每个手指大约有2 0 0根神经,而且还有错综复杂的表皮纹理,所以它产生的数据量之多连大脑都难以处理。但是由于皮肤的弹性就像一个低通滤波器,能滤掉一些细枝末节,所以才使大脑的这项处理简化可行。研究者正利用仿生技术解决人造毛发数据量过大的问题。

四、生物传感器

生物传感器是在基础传感器上在耦合一个生物敏感膜而形成的，是一类特殊的传感器，它以生物活性单元(如酶、抗体、核酸、细胞等)作为生物敏感单元，对目标测物具有高度选择性的检测器。生物传感器是一门由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。因其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、在复杂的体系中进行在线连续监测，特别是它的高度自动化、微型化与集成化的特点，使其在近几十年获得蓬勃而迅速的发展。在国民经济的各个部门如食品、制药、化工、临床检验、生物医学、环境监测等方面有广泛的应用前景。生物传感器的研究开发，已成为世界科技发展的新热点，形成21世纪新兴的高技术产业的重要组成部分，具有重要的战略意义。

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