到目前為止,儘管這些發明創造僅限於在一定範圍內使用或僅限於辨別某些化學製品,但它們還無法從混合化學製品中辨彆氣味.
幾年前,在美國海軍研究中心的資助下,賓夕法尼亞州州立應用實驗室高級研究員、機械工程系副教授埃裡克-帕特森決定深挖其根源,研究一下流體力學的基本原理及狗嗅覺中的氣味傳送問題,同時提出研製一個具有同樣效果的機械物體.
帕特森解釋道,狗聞東西時含有氣味的空氣穿過狗鼻前庭,然後經過一個異常複雜的通道.這是至關重要的一步,它能將氣味傳送給數百萬個嗅覺感受器,嗅覺的上皮細胞中內含獨特的蛋白質.當有氣味東西的分子粘在這些感受器上並發出大腦可解釋的信號時,狗便會「聞到」這種氣味.
為了進一步了解這一過程,機械和原子能工程系的研究生布倫特-克雷文依據狗呼吸道的高解析度核磁共振成像建造了一個計算流體力學模型.帕特森報告稱,這個模型讓我們了解到一些重要的事實.「其中一個重要的發現就是氣味是如何在鼻腔內被傳送到嗅覺區的.我們的電腦模擬顯示這都是背側耳道的功勞.」 在嗅覺區,空氣非常順暢地通過外層塗了粘液的感受器,這使得氣味傳送到感受器達到最佳效果,並建立起大腦可做出解釋的化學沉積模式.
由於工作原因,今年夏天帕特森和他的同事們被邀請參加RealNose,這是一個多機構參與的研究項目,由美國國防高級研究計劃署贊助,其目的是模仿狗嗅覺系統建造一個機械鼻.國防高級研究計劃署指出,在最初階段要完成四項工作.首先研究小組將開發一個進氣味系統,這項工作包括帕特森研究小組早些時候做出的氣流和氣味傳送模型.研究小組要進行的第二項工作是研製氣味探測系統,這包括利用遺傳工程的方法生產嗅覺感受器,所使用的細胞均從狗身上提取.帕特森希望這是該項目最具有挑戰的部分.
帕特森解釋道,「我們需要識別對個別化學製品做出反應的感受器,要有充足的感受器足以用於真實傳感器中.」研究小組正在探討幾種途徑,其中包括將感受器存放在碳納米材料上,這種材料能將氣味轉換成電子信號.模式識別系統將能夠使機械鼻在複雜的混合物中識別特殊氣味.正如帕特森解釋的那樣,RealNose是一個典型的高風險、高投入項目.如果可銷售技術源自研究,那麼我們研製的機械鼻會嗅出毒品、爆炸物、生化武器,甚至能嗅出患者得的是什麼癌症. 有意思的是這個項目需要不同的技術力量,這是一個發現和未知的領域,因為它的實際應用定會影響我們所有人的生活.