炎炎夏日，新裝修的房間里總藏著無形的“健康殺手”——甲醛。這種無色但有刺激性氣味的氣體，是室內(nèi)污染的主要元兇之一，也是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和智能家居領域的“重點關注對象”。
如何讓機器模擬和超越人類鼻子的功能，快速、準確地“聞”出甲醛的濃度？華中科技大學集成電路學院劉歡教授團隊的最新研究，給出了一個巧妙的解決方案。
近日，劉歡教授牽頭的“量子人工嗅覺”青年團隊，在半導體材料與人工智能交叉領域取得重要突破。
他們?yōu)殡娮颖菣C器嗅覺設計了一套“材料-算法協(xié)同優(yōu)化”（MACO）的“黃金組合”：一方面，通過調(diào)控半導體氣敏材料的表面活性和電子結(jié)構(gòu)，讓氣體傳感器對甲醛更“敏感”、相比對其他干擾氣體更“專一”；另一方面，用機器學習算法給傳感器“裝大腦”——將多個傳感器組成陣列，采集它們接觸氣體時的動態(tài)“反應數(shù)據(jù)”，實現(xiàn)動力學特征組合編碼，再通過線性判別分析（一種數(shù)據(jù)分析方法）解碼這些信號，就像給不同氣體蓋上了“電子指紋”。
這套“組合拳”效果如何？實驗顯示，經(jīng)過材料-算法協(xié)同優(yōu)化的電子鼻不僅能精準識別甲醛，還能像精密天平一樣“稱”出它的濃度。更厲害的是，團隊還發(fā)現(xiàn)了電子鼻機器嗅覺的“底層邏輯”：傳感器陣列的組合編碼原理遵循質(zhì)量作用定律（類似化學反應中物質(zhì)濃度的規(guī)律），這為后續(xù)迭代設計提供了清晰的理論指導。即使面對甲醛與其他氣體的混合環(huán)境，這個“電子鼻”也能快速適應，給出可靠的檢測結(jié)果。
為什么要做這項研究？因為傳統(tǒng)的半導體氣體傳感器要么“太笨”——只能粗略判斷有無有害氣體，無法定量檢測；要么“太嬌”——對環(huán)境變化敏感，對算法和算力依賴程度高。而劉歡團隊的成果，讓電子鼻能夠輕松擁有了“火眼金睛”（高選擇性）和“精準秤”（定量檢測能力），未來有望廣泛應用于工廠廢氣監(jiān)控、家庭空氣凈化，甚至火星探測等需要“聞”氣體的場景。
從“聞味識物”到“知味算量”，這場發(fā)生在微小傳感器上的技術革命，不僅是材料科學與人工智能的碰撞，更是人類用科技拓展感知邊界的生動注腳。或許不久的將來，我們的手機就能集成這樣的“電子鼻”芯片，隨時提醒：“當前甲醛濃度0.03mg/m3，安全！”——這，就是科學為生活寫下的最溫暖的注腳。
（華中科技大學供圖）
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