目前,视觉、听觉和触觉的仿生研究己取得成功，但是，嗅觉仿生研究尚处于探索阶段。人类不仅靠自身的嗅觉系统来分辨食品的好坏、新鲜程度，而且早就利用某些动物灵敏的嗅觉来完成特种任务。尽管人们己拥有多种先进分析仪器及检测手段来对农产品进行评价和测定，但众所周如，在目前的科技水平下，嗅觉在许多场合具有的判定类别或评价品质的特殊功能是其他手段所无法替代的。嗅觉对于各类气味的这种异乎寻常的敏感性引起了科研人员的极大兴趣。随着生命科学和人工智能研究的深入，人们试图模仿动物及人类的嗅觉功能，研制出基于生物嗅觉的智能仿生鼻是必然的。一方面仿生嗅觉具有广泛的实际应用领域，另一方面，基于生物嗅觉机理的仿生鼻系统对于研究嗅觉原理、验证嗅觉理论也有着重要的作用。生物嗅觉的研究可充实嗅觉基础理论，使人们进一步认识嗅觉,为人工嗅觉提供仿生理论基础,为人类鼻腔外科手术提供帮助；由于鼻腔结构较为复杂以及嗅区的特殊生理位置，给直接进行嗅觉生理实验带来了很大困难,而通过建立嗅觉模型，用计算机进行数值计算和仿真分析，却为嗅觉研究提供了一种行之有效的方法。我国是农业大国，农产品资源很丰富，是我国重要的外贸出口物资。农产品的品质检测，是流通和加工过程中的一个重要环节，其检测水平不仅直接关系到人民的健康，而且还是国际、国内农产品市场竞争的重要因素。另外，随着人们消费观念的改变和消费水平的提高，对各种各样农产品的质量要求也越来越高，客观上要求在农产品质量检测与分级上开发出新的检测技术。目前，对农产品的色泽、表面缺陷等都有了成熟的检测技术，而唯有气味检测技术仍不成熟。仿生鼻可实现对农产品定性、定量分析，将为我国农产品质量分级和 １２４<WP=132>吉林大学博士学位论文出口提供先进的检测技术。因此，本论文选题不仅具有重要的理论意义，而且具有工程实用价值，具有显著的经济和社会效益。 仿生鼻系统的发展与传感技术和数据处理方法的发展息息相关。传统传感器技术和数据处理方法遇到的挑战，启发我们从仿生学的角度，开发与哺乳动物嗅觉系统类似的人工嗅觉系统。一方面，现在的电子鼻只是简单的电子元器件组装，没有从仿生的观点出发，特别是从生物嗅觉结构出发设计电子鼻，而本文从生物嗅觉原理出发，研究的仿生鼻具有鼻腔中气体流量和气味分子浓度可控制的特点。另一方面，现有嗅觉识别软件只是简单的算法，没有从嗅觉智能出发设计软件，本文从嗅觉神经网络模型出发设计识别软件。总之，本文研究的仿生鼻是一种从硬件到软件都模仿生物嗅觉系统的气味传感识别系统，在功能上与人的嗅觉器官相仿。经过应用实践，本文研究的仿生鼻取得了较为满意的结果。本文取得了如下研究成果和技术创新:1. 通过嗅觉的生物学基础研究，提出了基于生物嗅觉的仿生鼻原理，即：嗅觉 细胞—传感器阵列；嗅球神经网络—数据预处理；大脑神经中枢—模式识别。 设计并制作了智能仿生鼻系统。2. 建立了成年健康男性鼻腔的仿生模型和人体鼻道气味传输数学模型，采用 ANSYS 软件，数值模拟了鼻道结构对人体嗅觉影响，分析了影响人体嗅觉 的生理参数。数值模拟结果与文献发表的实验及理论相符合，并与人体的生 理现象相一致。数值模拟首次发现了吸气过程中气体的流场比呼气过程中气 体的流场紊乱，吸气过程鼻腔各处速度场变化梯度比呼气过程大；揭示出吸 气气流比呼气气流在鼻腔中停留的时间较长，使吸气气体在鼻腔得到较为充 分的滞留，在用力呼吸情况下，吸气费力而呼气省力。这个发现为设计仿生 鼻腔提供了理论基础，同时也证实了数值模拟方法在研究人类鼻腔和嗅觉机 理过程中的有效性。3. 提出了仿生鼻系统嗅觉信息采集的一种新方法。根据生物嗅觉信息获取的原 理和数值模拟结果，构造了装有传感器阵列的仿生鼻流道和控制装置，实现 了在嗅觉区域主动控制气体流量和气味分子浓度，提高了嗅觉灵敏度。在对 气敏传感器研究比较的基础上，从生物嗅觉系统出发，采用 8 个金属氧化物 半导体气体传感器，设计了具有仿生意义的仿生鼻系统硬件，并建立了传感 １２５<WP=133>摘要 器阵列的数学模型；对常用的信号调节电路进行了比较讨论，采用分压式信 号调理电路，较简单地解决了嗅觉信号的转换问题。4. 提出了仿生鼻系统混沌优化神经网络识别算法，加速了嗅觉训练速度。通过 对生物嗅觉神经网络模型和模式识别算法的深入研究，针对人工嗅觉系统目 前广泛采用的模式识别算法－人工神经网络 BP 算法存在的网络学习算法收 敛缓慢的难题，提出了更接近生物嗅觉的混沌优化神经网络算法，对 BP 反 向传播算法从两个方面进行了改进，既采用混沌算法优化神经网络初始参数 和采用混沌算法改进神经网络误差修正。对标准 BP 算法和动量 BP 算法以 及本文提出的混沌优化算法进行了仿真比较，验证了本文提出的混沌优化神 经网络算法的优越性。5. 采用面向对象的程序设计