电子鼻和电子舌应用领域科幻电影成现实？电子皮肤市场空间超2万亿，多家上市公司已布局|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

科幻电影成现实？电子皮肤市场空间超2万亿，多家上市公司已布局

作者丨宇哲

图源丨摄图网

2019年，Netflix神剧《爱，死亡和机器人》在全球走火，这部豆瓣9.2高分的动画，让赛博朋克（cyberpunk）这一概念走出科幻，成为一种风格。观众大呼过瘾之余，除了独特的叙事风格与CG特效，更让人引起思考的，是片中对未来世界、科技发展与人类关系的探讨。

未来科技究竟会发展到什么程度？人类真的会与机器人共处吗？

当多部电影探讨着科幻议题，很多电影中的场景，在科技推动下正成为现实。

科幻电影里，冷冰冰的“电子芯片”真的会与人类结合。1985年，通用电气公司（GE）利用离散型红外传感器制造了第一个机器人手臂的敏感皮肤，开启了电子皮肤的发展历史。2000年，贝尔实验室成功制造出当时世界上第一个用有机晶体管材料做成的柔性电子纸。

皮肤作为人体最大的器官，负责庞大的信息交换。它能够收集外界刺激，并把这些刺激转换成压力、疼痛和温度等人体可感知的信号，科学家们正在创造出具有类似人类感官能力的人造皮肤。

2015年，美国国家工程院院士、斯坦福大学化学工程系主任鲍哲南教授的团队，研发出世界上第一个可与动物大脑沟通的可弯曲型电子皮肤。经过多年研究与实践，如今电子皮肤正超越皮肤本身的属性，从技术上来看，在假肢制造、机器人设计、可穿戴设备等多个领域起到重要作用。

科技让电影成为现实，人工电子感官技术的发展为全球经济带来利好。据IDTechEX机构预测，2018年全球柔性电子市场为469.4亿美元，2028年为3010亿美元（2万亿人民币）。

正如来自中国的科学家鲍哲南教授所说：“电子皮肤是未来电子工业发展不可避免的趋势”，这项技术未来有望成为世界各国抢占的科技制造点。

近似人类“触觉”的机器人，已经不远了

如果没有皮肤，人类会怎样？

我们将失去触觉、无法感知冷暖和疼痛。皮肤不仅是器官的保护壳，还是生存所需的信号系统。可以把皮肤比作是触觉感受器，它紧密地分布在整个皮肤上，并将触觉、温度等转化为信号，传递给大脑。

电子皮肤（e-skins）则是模仿人类皮肤的柔性电子设备，它由轻薄、透明、柔性、可拉伸的材料制成，方便地贴合于人体皮肤表面，实现人工触觉。

一直以来，科学家们在努力将自身具备的全部感官“复制”到机器人身上，但机器仍缺乏一些极其关键的能力，其中就包括人类精密而完善的触觉。

目前，即使世界上最逼真、最仿生的义肢，也难以实现触觉的突破。而具有触感能力的电子皮肤，却完全能使假肢理解触摸、弯曲或按压等动作，帮助配有假肢的人恢复感觉。

在机器人研发上，电子皮肤可以帮助机器人敏感获知环境信息。近年，鲍哲南团队研发出具有触觉传感器的手套，机械手臂在戴上手套后能够具备和人类皮肤类似的触觉。

鲍教授曾在公开场合表示：“用这样的机器人摘树莓，它的手会把握适当的力道而不将其压破。”显然，在人工电子感官技术不断发展的当下，机器人的触觉越来越接近“人类”。

更神奇的是，如今的传感器不仅可以感知传统意义上的力学信号，“近几年，传感器又增加了对电学信号和化学信号的感知，从大脑、肌肉传出来的细微电信号和化学信号均可被测量，这意味着电子皮肤具备了更多功能。”鲍教授曾透露，目前其正在进行新材料的理论和实验研究，未来手机屏幕、医疗仪器都可以像皮肤一样贴在身上。

可以预见，随着科研的发展，未来慢性病群体将不再需要佩戴大型电子监视设备，轻薄、智能的电子皮肤将可以嵌入人体，成为人体健康的指示标。据了解，目前柔性触摸屏已实现产业化，并成功应用于世界首批可弯曲智能手表和可折叠智能手机中。

去年，沙特国王阿卜杜拉科技大学研制出目前最强的人造皮肤，这款灵敏度较高的人造皮肤可以感知8英寸外的物体，并在不到十分之一秒的时间内对刺激做出反应。其还可以自我修复达5000次，并且在四分之一秒内恢复。

这项发明不仅可以用于假肢、病患检测等医疗用途，还可以应用于多款产品，包括测量家具、飞机和建筑物结构健康状况的传感器带。“我们设想这项技术应用在生物学以外的未来。”该研究小组称。

如何不断提高人工电子感官技术，是各国科学家研究的方向。

去年9月，来自澳大利亚的研究人员成功开发出一种人造皮肤，能像真实皮肤一样对疼痛刺激做出反应，以前所未有的细节复制痛苦刺激的反馈回路，并且能够区分疼痛的严重程度，这意味着离造出能感知疼痛的智能机器人已经不远了。

在人工电子感官技术领域中，大家熟知的电子眼、电子鼻、电子舌等电子感官设备，早已广泛应用于交通、安防等领域。

例如电子鼻能够在若干种混合气体复杂的环境中快速、准确地识别出各种气体的浓度，并作出定量分析，客观评价食品风味。电子舌能灵敏地将人类感官很难区分的样品进行鉴别，判定滋味，如茶叶、酒类区分，肉制品鉴定，奶制品和调味品的工艺考察等。

显然，人工电子感官技术作为传感器研究的一个重要领域，应用范围大且前景广阔。这也为相关领域的公司带来更多机遇，目前国内已有汉威科技、北矿科技等上市公司进行相关领域的布局，随着市场需求的不断增加，人工电子感官行业的创业投资前景呈现利好。

虽然人工电子感官技术快速发展，但作为一种新兴技术，还存在着灵敏度不高、数据分析不够精准等诸多挑战。

正如鲍哲南教授所说：“从工艺的角度来说，还需要进一步实现更复杂、更大型的集成电路方式；从应用角度来说，还需要找到应用的路线图。路线图必须先从简单的应用出发，或者用新发明的材料和器件实现已有的应用，再慢慢延伸到越来越复杂的系统性的应用。”

随着电子皮肤等人工电子感官技术的发展，未来势必面临巨大的市场需求，要想让科技实现更多可能，则需要学术界及相关领域的通力合作。

美的首届科技创新挑战赛，邀你来战

5G、大数据、云计算等新兴技术，正将人类带向人工智能时代。而人工电子感官技术，更可以使科幻成为现实，以科技赋能更多领域。

如何更好地助力人工电子感官领域的创新与应用？

4月20日，由美的集团与36氪联合发起的美的首届科技创新挑战赛正式启动。赛事以“人工电子感官”为赛题，邀请万千科技爱好者一同深入研究人工电子感官技术，充分挖掘其在生活中的应用潜力。

本届大赛面向全社会开放，高等院校在校生、科研单位工作者、企业人员等均可以个人或团队的方式报名参赛。

本次大赛分为初赛、复赛、决赛三个阶段，并设置特别赛道。

初赛时间为2021年4月20日-2021年6月1日。各参赛选手、团队需将参赛作品在规定时间内提交至大赛官方网站，由大赛组委会组织专家进行专业评审，最终筛选至多24支优质队伍晋级复赛。

复赛将于2021年7月中旬举行。24支晋级队伍以线上直播的形式进行复赛，综合各队作品形态、作品识别能力和评委打分，总分排名前8的优质队伍晋级决赛。

决赛预计于2021年8月中下旬举行。晋级决赛的8强选手将进行线下决赛，在决赛现场展开三轮PK，角逐三甲。

大赛还设置了特别赛道，针对在人工电子感官技术领域存在更高检测难度的物质，向全国科技爱好者征集检测方案。参赛选手、团队可在2021年4月20日-2021年6月1日投稿。美的集团将从投稿方案中遴选出优秀作品，与团队负责人直接沟通项目合作机会，优秀参赛者还有机会受邀前往决赛现场参加项目表演秀。

根据评分规则，比赛结果将以电子感官紧凑度、识别准确率、识别速度三个维度进行评判，最终评选出冠军队伍1支、亚军队伍1支、季军队伍3支、人气奖队伍1支、分别授予人民币20万、10万、5万、5万奖励，及优胜队伍4支，奖励各1万元，并颁发获奖证书。

为了更好支持与赋能选手，美的将为参赛者提供全程的技术支持，以及极富吸引力的奖励回报 ，包括：对表现优异的团队、个人发放入职Offer、直通终面卡或实习直通Offer，优秀选手在入职后将会得到资深专业作为专属导师，还有机会与美的集团CEO对话，以及赴日本核心研究院游学一周；优秀项目还将获得孵化与投融资对接机会。

去年底，美的集团整体业务构架更迭，战略主轴全新升级为科技领先、用户直达、数智驱动、全球突破。为了更好地在科创领域发力，美的希望通过此次大赛，挖掘更多具有创新思维的新时代人才，为人工电子感官技术发展带来更多创新与突破。

技术的发展势必为人们的生活带来更多可能，这也契合了美的为全球消费者创造美好生活的初衷。我们相信，随着科研的不断深入，在不久的将来，科幻电影中才会出现的人工智能，终会在现实中与我们相遇。

如果你也有一个科幻梦，或者想要参与创造一个赛博朋克的AI智能时代，美的在这里邀你一起“造梦”未来。

基于电子舌和电子鼻结合氨基酸分析鱼香肉丝调料风味的差异

【智能感官】基于电子舌和电子鼻结合氨基酸分析鱼香肉丝调料风味的差异

电子鼻（Electronic nose）和电子舌（Electronic tongue）是模仿人体嗅觉和味觉机理的仿生检测设备，具有检测周期短、样品处理简单、检测灵敏度高、结果可靠等优点，分别能够从气味和滋味方面识别样品中整体风味信息。本文应用电子鼻、电子舌和氨基酸分析技术，从气味和滋味角度对不同品牌鱼香肉丝调料的风味品质进行检测。

一、材料与方法

材料与仪器

不同品牌鱼香肉丝调料，编号为A、B、C、D、E、F。

实验方法

电子鼻分析电子鼻的传感器阵列由 18 种金属氧化物传感器组成，分布在主机的 3 个矩阵室，每个矩阵室有 6 根非专一性传感器，对一类或几类物质敏感。

电子舌分析电子舌实验采用 Astree 电子舌第六套传感器，该套传感器包括 AHS-Sourcess，PKS，CTS-Saltiness，NMS-umami，CPS，ANS，SCS 共 7 根传感器，选择 Ag/AgCl 作为参比电极。

二、结果与分析

电子鼻对不同品牌鱼香肉丝调料的气味分析

通过电子鼻分析鱼香肉丝调料的气味指纹图谱，也称气味雷达图，结果见图 1。图中为不同品牌鱼香肉丝调料对电子鼻 18 个传感器相应信号强度大小，除 LY2/LG、 LY2/G、 LY2/AA、 LY2/Gh、LY2/gCT1 和 LY2/gCT 传感器信号强度差异不明显，其余 12 个传感器信号强度差异较为明显，其中传感器 T30/1、P10/1、P10/2、P40/1、T70/2、PA/2、P30/1、P40/2、P30/2 信号响应强度大小顺序为：D>C= B>A>F>E。表 2 列出 18 个传感器对应敏感物质类型，结合图 1 可知，LY2/LG、LY2/G、LY2/AA、LY2/Gh、LY2/gCT1 和 LY2/gCT 传感器对应敏感类物质如氮氧化合物、硫化物、丙酮、丙烷和丁烷等，说明样品在以上该类型物质方面差异性不明显，而剩余的传感器对极性物质、非极性物质（碳氢化合物类、氨、氯）、芳香类（甲苯、二甲苯）、胺类和氯类等物质敏感，表明样品在以上该类型物质方面差异性显著。

采用 PCA 分析鱼香肉丝调料的香气，结果如图 2 所示。在图 2 中，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累积贡献率为 95.3%，大于 80.0%，表明主成分可以反映样品香气的整体信息。鱼香肉丝调料的香气成分区域无重叠，说明 PCA 分析法可以对其进行有效区分。PC1 贡献率远大于 PC2，说明样品在横坐标距离越大，其差异性越大。样品的横坐标大小排列顺序为 D>C=B>A>F>E，该顺序与雷达信号响应强度大小顺序相同。同时，样品 B 和C 的横坐标分布距离较近，说明样品 B 和 C 二者的香气较为相似，其它样品 A、D、F 和 E 的横坐标存在差异，表明样品 A、D、F 和 E 香气差异性明显。

电子舌对不同品牌鱼香肉丝调料的滋味分析

图 3 为电子舌分析鱼香肉丝调料的滋味雷达图。由图 3 可见，电子舌的传感器相对强度值存在明显差异，表明电子舌可有效地区分不同样品的滋味。不同样品的酸、咸、鲜、甜和苦 5 种味觉相对强度值从大到小的顺序为：咸味为 E>F>C>B>A>D，鲜味为 E>B>F>C>D>A，苦味为 E>F>C>B>D>A，酸味为 D>A>B>C>F>E，甜味为 A>E>B>C>D>F，表明不同样品的滋味存在明显差异。

电子舌对鱼香肉丝调料滋味进行 PCA 分析，其主成分载荷矩阵如图 4 所示。由图 4 可见，第一主成分（PC1）和第二主成分（PC2）的累积贡献率为89.3%，大于 80.0%，表明电子舌 PCA 分析能够反映样品滋味的整体信息。样品的数据点相对集中，说明样品的电子舌测定结果的稳定性相对较高，而不同样品的数据点分布于四个象限，表明样品的滋味差异性明显。载荷图是将对第一、二主成分贡献大的影响因子在 PCA 分析的二维图中表示出来，影响因子越靠近样品所在的二维坐标（x，y），则说明载荷因子对其影响越大。图中鲜味和咸味对样品 E、C 和 F 的识别贡献较大，酸味对样品 A、B 和 D 的识别贡献较大。

不同品牌香肉丝调料游离氨基酸呈味贡献分析

氨基酸是一种重要的呈味物质，与滋味的形成密切相关，可进一步区分不同样品滋味的差异性，结果如表 3 所示。由表 3 可见，鱼香肉丝调料共检测出21 种氨基酸，其中存在 6 种必需氨基酸，总游离氨基酸总量（TFAA）分布范围为 451.40~3017.30 mg/kg。根据味觉强度可分为鲜味氨基酸（Asp、Glu）、甜味氨基酸（Gly、Ala、Thr、Ser、Pro）、苦味氨基酸（Val、Ile、Leu、Phe、His、Tyr、Lys、Arg）和无味氨基酸（Ps、Cys、Met、β-Ala、HYP、Orn）味道强度值（Taste active value，TAV）来评价整体滋味的贡献，当 TAV 大于 1 时，该物质被认为对样品呈味贡献较大，当 TAV<1 时，表明物质对样品呈味贡献不明显[22] ，样品的氨基酸 TAV 值列于表 3。表中样品中 TAV 大于 1 的氨基酸有谷氨酸、丙氨酸、丝氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、组氨酸和精氨酸，其中所有样品中谷氨酸的 TAV 值最大，表明所有样品的鲜味氨基酸对整体的滋味呈味贡献较大。同样，在甜味氨基酸中，只有样品 E 中丙氨酸和丝氨酸的TAV 值大于 1，说明除样品 E 以外，样品 A、B、C、D 和 F 中甜味氨基酸对甜味贡献不明显。此外，在苦味氨基酸中，样品 E 的缬氨酸、苯丙氨酸和组氨酸以及样品 B 的精氨酸的 TAV 大于 1，但是，苦味通常被鲜味和甜味所掩盖不具有呈味活性[22]。分析表明样品 E 的鲜味氨基酸和甜味氨基酸对整体滋味贡献显著。

将游离氨基酸采用归一化法绘制聚类热图，结果如图 5 所示。由图 5 可见，21 种氨基酸可分为2 个大聚类，其中聚类 1 大部分是由苦味和无味氨基酸组成，聚类 2 大部分则是由甜味和鲜味氨基酸组成。同时，不同调料的聚类可分为 2 个大聚类，其中大聚类 1 为样品 E，聚类 2 由其它 5 种调料组成，说明样品 E 与其它样品的滋味差异明显。

电子舌滋味特性与游离氨基酸相关性分析

以游离氨基酸为自变量 X，电子舌滋味特性为因变量 Y 进行偏最小二乘法分析（PLS），其相关性分析结果如图 6 所示。在 PLS 模型中，自变量和因变量之间的距离表明二者之间的相关性，距离越近，正相关性越强。图中酸味与苏氨酸和羟脯氨酸相关性密切，鲜味、咸味和苦味与谷氨酸相关性密切，甜味与甘氨酸、丙氨酸和蛋氨酸相关性密切。

为进一步探究不同样品的呈味氨基酸和电子舌滋味特性的相关性，Pearson 相关系数用于确定每一个电子舌滋味特性正相关的呈味氨基酸，一般况下，相关系数|r|在 0.8~1.0 之间表示极强相关，0.6~0.8 之间表示强相关，0.4~0.6 之间表示中等强相关，02~0.4 之间表示弱相关]。由图 7 可见，电子舌滋味特性与呈味氨基酸呈现相关性。酸味与苏氨酸和精氨酸呈现强相关，其中与苏氨酸相关性显著（P<0.05）。甜味与甘氨酸、丙氨酸、亮氨酸和蛋氨酸呈现强相关，其中与甘氨酸相关性显著（P<0.05）。咸味与谷氨酸、缬氨酸和鸟氨酸呈现强相关，鲜味与谷氨酸、丝氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、胱氨酸和鸟氨酸呈现强相关，苦味与谷氨酸、丝氨酸、缬氨酸、胱氨酸和鸟氨酸呈现强相关，其中咸味、鲜味和苦味均是与谷氨酸相关性极显著（P<0.01），结果与氨基酸结果不同，这可能是由于调料的原料中含有咸味肽和苦味肽，呈味多肽分解可增加谷氨酸的含量，并且咸味肽也可以呈现出鲜味，使得咸味和苦味与谷氨酸相关性显著。

三、结论

本文利用电子鼻、电子舌和氨基酸检测对不同品牌的鱼香肉丝调料进行分析，采用主成分（PCA）、聚类分析、Pearson 相关系数和偏最小二乘法（PLS）对调料风味的差异性进行区分。结果表明：电子鼻中 12 个传感器的响应强度差异性明显，其中碳氢化合物、芳香类、胺类和氯类差异显著。PCA 分析法可以有效地区分不同品牌鱼香肉丝调料的香气，样品 B 和 C 的香气较为相似，其它样品的香气差异明显。

电子舌和氨基酸分析可见，不同品牌鱼香肉丝调料在滋味上存在差异性，其中样品 D 的酸味较为突出，样品 A 的甜味较为突出，样品 E 在咸味和鲜味较为突出。同时，在样品 E 中，鲜味氨基酸和甜味氨基酸对整体滋味贡献显著。不同品牌鱼香肉丝调料的滋味特性与大部分游离氨基酸呈现正相关，其中酸味和甜味分别与苏氨酸和甘氨酸相关性显著（P<0.05），咸味、鲜味和苦味与谷氨酸相关性极显著（P<0.01）。

来源：感官科学与评定，转载请注明来源。

参考文献：袁灿,何莲,胡金祥,林丹,乔明锋,蔡雪梅,彭毅秦,易宇文.基于电子舌和电子鼻结合氨基酸分析鱼香肉丝调料风味的差异[J].食品工业科技,2022,43(09):48-55.DOI:10.13386/j.issn1002-0306.2021070282.

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