几年前,在美国海军研究中心的资助下,宾夕法尼亚州州立应用实验室高级研究员、机械工程系副教授埃里克-帕特森决定深挖其根源,研究一下流体力学的基本原理及狗嗅觉中的气味传送问题,同时提出研制一个具有同样效果的机械物体.
帕特森解释道,狗闻东西时含有气味的空气穿过狗鼻前庭,然后经过一个异常复杂的通道.这是至关重要的一步,它能将气味传送给数百万个嗅觉感受器,嗅觉的上皮细胞中内含独特的蛋白质.当有气味东西的分子粘在这些感受器上并发出大脑可解释的信号时,狗便会“闻到”这种气味.
为了进一步了解这一过程,机械和原子能工程系的研究生布伦特-克雷文依据狗呼吸道的高分辨率核磁共振成像建造了一个计算流体力学模型.帕特森报告称,这个模型让我们了解到一些重要的事实.“其中一个重要的发现就是气味是如何在鼻腔内被传送到嗅觉区的.我们的电脑模拟显示这都是背侧耳道的功劳.” 在嗅觉区,空气非常顺畅地通过外层涂了粘液的感受器,这使得气味传送到感受器达到最佳效果,并建立起大脑可做出解释的化学沉积模式.
由于工作原因,今年夏天帕特森和他的同事们被邀请参加RealNose,这是一个多机构参与的研究项目,由美国国防高级研究计划署赞助,其目的是模仿狗嗅觉系统建造一个机械鼻.国防高级研究计划署指出,在最初阶段要完成四项工作.首先研究小组将开发一个进气味系统,这项工作包括帕特森研究小组早些时候做出的气流和气味传送模型.研究小组要进行的第二项工作是研制气味探测系统,这包括利用遗传工程的方法生产嗅觉感受器,所使用的细胞均从狗身上提取.帕特森希望这是该项目最具有挑战的部分.
帕特森解释道,“我们需要识别对个别化学制品做出反应的感受器,要有充足的感受器足以用于真实传感器中.”研究小组正在探讨几种途径,其中包括将感受器存放在碳纳米材料上,这种材料能将气味转换成电子信号.模式识别系统将能够使机械鼻在复杂的混合物中识别特殊气味.正如帕特森解释的那样,RealNose是一个典型的高风险、高投入项目.如果可销售技术源自研究,那么我们研制的机械鼻会嗅出毒品、爆炸物、生化武器,甚至能嗅出患者得的是什么癌症. 有意思的是这个项目需要不同的技术力量,这是一个发现和未知的领域,因为它的实际应用定会影响我们所有人的生活.