本文中文翻譯由《電子設(shè)計(jì)應(yīng)用》特別提供 

分析設(shè)備小型化是關(guān)鍵 

　　若要擴(kuò)大嗅覺傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)就必須小型化，這是今后的開發(fā)重點(diǎn)。 

　　例如，將來(lái)有可能將現(xiàn)在僅用于實(shí)驗(yàn)室的氣相色譜分析功能嵌入到各種設(shè)備上。最近，食品的仿冒及變質(zhì)問題已經(jīng)成為社會(huì)問題，如果能夠開發(fā)出具有氣相色譜分析功能的設(shè)備，那么消費(fèi)者就可以很容易地識(shí)破上述問題。 

　　此外，還能夠?qū)⒖赏ㄟ^(guò)呼氣診斷疾病的手機(jī)連接到日常健康保健中心。手機(jī)是個(gè)人隨身攜帶的設(shè)備，在通話時(shí)常常無(wú)意識(shí)地呼氣，將其作為日常檢測(cè)健康狀態(tài)的設(shè)備是最合適的。 

　　在CEATEC JAPAN 2007 展會(huì)上，NTT DoCoMo 發(fā)布了可以記錄口臭、人體脂肪率、脈搏、步數(shù)的終端，而且該終端可以將測(cè)得的數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器。如果能夠在疾病惡化之前及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以治療，那么就可以大大降低醫(yī)療費(fèi)用。 

MEMS 的小型化成為后動(dòng)力 

　　目前已有多款小型嗅覺傳感器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化。 

　　日本FIS 公司是一家半導(dǎo)體氣體傳感器生產(chǎn)商，該公司已實(shí)現(xiàn)了臺(tái)式簡(jiǎn)易氣相色譜儀的產(chǎn)品化(見圖11) 。該產(chǎn)品的靈敏度為0.1ppb~1ppb。普通的氣相色譜儀需要?dú)夤迊?lái)提供載氣(流動(dòng)相氣體)，所以體積巨大。但該新產(chǎn)品是通過(guò)內(nèi)置泵吸入空氣作為載氣，所以體積非常小。檢測(cè)對(duì)象雖然只限于呼氣及VOC等特定氣體的分析，但已經(jīng)可以識(shí)別肉的特定種類及品牌產(chǎn)品所發(fā)出的氣體。 

　　此外，雖然尚處于研究階段，但使用MEMS技術(shù)使氣體傳感器更小型化，而且可檢測(cè)更多氣體種類的開發(fā)也開始起步。作為嗅覺傳感器元件，此技術(shù)是面向下一代產(chǎn)品的技術(shù)，技術(shù)水平與后文將要介紹的生物仿真嗅覺結(jié)構(gòu)的傳感器差不多。 

　　瑞士巴塞爾大學(xué)的研究小組已經(jīng)開發(fā)了將懸臂用于氣體傳感器的技術(shù)，懸臂是用MEMS技術(shù)制作而成，其中使用了原子力顯微鏡。懸臂的一側(cè)是高分子膜，可對(duì)氣體做出反應(yīng)，當(dāng)高分子膜上吸附特定氣體時(shí)會(huì)發(fā)生變形，借此就可以檢測(cè)高分子膜的變形，從而換算為氣體濃度。 

　　如果將多個(gè)懸臂陣列狀排列，各懸臂上的高分子膜分別對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)氣體，那么就可以實(shí)現(xiàn)可檢測(cè)多種氣體的小型氣體傳感器。 

仿真嗅覺結(jié)構(gòu) 

　　半導(dǎo)體氣體傳感器的靈敏度與以前相比已大為提高，但是，它并不是對(duì)所有氣味的味源物質(zhì)都具有足夠的靈敏度。而且，現(xiàn)在檢測(cè)氣體的時(shí)間有時(shí)會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘，檢測(cè)時(shí)間仍需縮減。 

　　為了解決上述問題，科學(xué)家們正致力于開發(fā)仿真生物嗅覺結(jié)構(gòu)的嗅覺傳感器，目前已經(jīng)開發(fā)出可檢測(cè)氣味的傳感器芯片(見圖12)，可檢測(cè)的濃度為ppb級(jí)，已與人類嗅覺相當(dāng)。  

　　生物的嗅覺結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了模擬生物嗅覺結(jié)構(gòu)制作傳感器，就必須掌握味源物質(zhì)的感應(yīng)組織與識(shí)別組織。人類大約有350 種氣味感應(yīng)體，而氣味的味源物質(zhì)約有1萬(wàn)種以上，這些分子與嗅覺細(xì)胞中的感應(yīng)體結(jié)合，就可檢測(cè)出氣味。通常，1種氣味的味源物質(zhì)要與多個(gè)感應(yīng)體結(jié)合。而且，1個(gè)感應(yīng)體也與多種味源物質(zhì)結(jié)合。總之，氣味與感應(yīng)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系是多對(duì)多的關(guān)系。 

　　感應(yīng)體并不直接檢測(cè)味源物質(zhì)的分子，而是讀取一部分分子結(jié)構(gòu)，確認(rèn)分子中是否存在苯環(huán)、是否存在特定長(zhǎng)度的疏水鏈。通過(guò)制作可讀取這類分子結(jié)構(gòu)的傳感器元件，就得到了嗅覺傳感器。 

　　傳感器元件使用表面分極控制法來(lái)讀取味源物質(zhì)分子的分子結(jié)構(gòu)。該方法通過(guò)控制電極表面電位，然后根據(jù)電化學(xué)阻抗測(cè)量電位與化學(xué)物質(zhì)之間的相互作用。這是一種成熟的電化學(xué)測(cè)量方法，其電路組成方法及操作方法已經(jīng)明確，所以容易得到較高的靈敏度。 

利用抗原抗體反應(yīng)原理仿真犬類的嗅覺 

　　人類的嗅覺能力已經(jīng)退化，在動(dòng)物之中屬于嗅覺不發(fā)達(dá)的物種。如果能實(shí)現(xiàn)比人類嗅覺更靈敏的嗅覺傳感器，那么其應(yīng)用就有可能擴(kuò)大到更大的范圍，甚至是目前無(wú)法想象的領(lǐng)域。 

　　眾所周知，犬類是嗅覺較佳的動(dòng)物。人類大約有4000 萬(wàn)個(gè)感應(yīng)氣味的細(xì)胞。但是，犬類動(dòng)物大約有10 億個(gè)，數(shù)量龐大。這種程度就可以感應(yīng)到ppt 級(jí)的嗅覺。 

　　在美國(guó)已有醫(yī)療機(jī)構(gòu)開始利用犬的嗅覺來(lái)診斷早期乳癌。日本OJPC 福利犬養(yǎng)育協(xié)會(huì)已經(jīng)訓(xùn)練出名為瑪琳的癌探知犬，可以100%檢測(cè)從初期到晚期的食道癌、肺癌、胃癌、肝癌、大腸癌、乳癌、胰腺癌，肺癌、惡性淋巴腫瘤等。明海大學(xué)外崎肇一教授專門負(fù)責(zé)研究疾病與氣味的關(guān)系，據(jù)他介紹：“辨別結(jié)構(gòu)并不是很明確。但是與癌有關(guān)的部分，也就是癌特有的蛋白質(zhì)是在細(xì)胞內(nèi)合成的，因此狗可以檢測(cè)到此類蛋白質(zhì)所發(fā)出的氣味。” 

　　為了實(shí)現(xiàn)與犬類同等水平的嗅覺傳感器，科學(xué)家們正在進(jìn)行多項(xiàng)研究。但是，即使是使用臺(tái)式氣相色譜儀和目前已開發(fā)的嗅覺結(jié)構(gòu)仿真生物傳感器，要達(dá)到此類ppt級(jí)別的檢測(cè)也不容易，還需要基于更新的概念技術(shù)。 

　　作為解決方法，科學(xué)家們已提出利用抗原抗體反應(yīng)，來(lái)檢測(cè)愛滋病毒與登革熱病毒(見圖13)。該方法是以氣味的味源物質(zhì)為抗原，然后制成與其1對(duì)1結(jié)合的物質(zhì)，并通過(guò)其檢測(cè)出氣味。抗原與抗體的結(jié)合會(huì)造成傳感器表面折射率發(fā)生細(xì)微變化，然后用高靈敏度的表面等離子共振檢測(cè)這種變化。不光是醫(yī)療方面，預(yù)計(jì)還將用來(lái)檢測(cè)炸藥TNT 的氣味，以及探測(cè)地雷等。  

　　九州大學(xué)教授都甲潔所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組所試制的傳感器可以同時(shí)檢測(cè)4 種化學(xué)物質(zhì)，容積大約是30cm3，重量不到10kg。該傳感器據(jù)說(shuō)可檢測(cè)幾ppt氣味的味源物質(zhì)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)ppt 級(jí)的靈敏度。

味覺 將喜歡的味道數(shù)值化 

　　興高采烈地前往餐飲指南上的星級(jí)餐飲店，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)完全不合自己口味，這大概是許多人都有過(guò)的經(jīng)驗(yàn)。依賴于味覺傳感器，不久的將來(lái)可能可以防止這種情況的出現(xiàn)。因?yàn)槲队X傳感器可以客觀地評(píng)價(jià)食物的味道，而不像以前美食家的評(píng)價(jià)其實(shí)僅符合美食家的口味。如果能夠知道符合自己口味的味道的數(shù)值化數(shù)據(jù)，那么以后無(wú)須親自體驗(yàn)，也可以檢索到可做出近似味道的餐館。 

將基本味道分別數(shù)值化 

　　可將味道數(shù)值化再進(jìn)行評(píng)價(jià)的味覺傳感器備受人們關(guān)注( 見圖14)，目前已經(jīng)運(yùn)用在食品開發(fā)及品質(zhì)管理、藥品開發(fā)等方面。此類傳感器并不是用來(lái)檢測(cè)像蔗糖、谷氨酸等甜味、鮮味的味源物質(zhì)，而是可以將人所感覺到的味道用數(shù)值表示出來(lái)，實(shí)際上就是模仿舌頭味蕾結(jié)構(gòu)的生物嗅覺傳感器。  

　　舌頭表面感覺味道的器官被稱為味蕾。味蕾上存在可感覺甜味、咸味、酸味、苦味、鮮味五種基本味道的各種味蕾細(xì)胞。味覺傳感器也可以分別區(qū)分這五種基本味道的濃淡程度。產(chǎn)生味道的化學(xué)物質(zhì)有無(wú)數(shù)種，而且還可進(jìn)行組合，組合之后的味道甚至十分相近。味覺傳感器將不同的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行組合，當(dāng)人類覺得味道相似時(shí)，就輸出相似味道的數(shù)值，這就是高度仿真人類味覺的傳感器。 

只能間接評(píng)估 

　　目前，在食品界很難客觀的評(píng)價(jià)味道。像品質(zhì)管理那樣，如果必須了解客觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)，首先需要知道到底包含了無(wú)數(shù)味源物質(zhì)中的哪些物質(zhì)，然后再針對(duì)所包含的每種味源物質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，并按其濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，從而進(jìn)行間接評(píng)估。但是，對(duì)于每種味源物質(zhì)的評(píng)價(jià)無(wú)法對(duì)應(yīng)人所感覺到的味道。因?yàn)槲兜琅c味道之間存在相互作用。在西瓜上撒上些鹽可以增加甜味，像這種現(xiàn)象就無(wú)法評(píng)估。 

　　因此，在食品開發(fā)方面，人類的感官試驗(yàn)是不可或缺的。但是，專業(yè)的測(cè)試人員也有自己的嗜好，所以也只能進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。而且在測(cè)試時(shí)測(cè)試人員的健康狀態(tài)往往也會(huì)影響結(jié)果。 

仿真味覺檢測(cè)結(jié)構(gòu) 

　　味覺傳感器的代表產(chǎn)品是智能傳感器技術(shù)公司銷售的味覺傳感器TS-5000Z，其中使用了九州大學(xué)都甲潔教授所開發(fā)的一款生物傳感器。該傳感器基于味覺檢測(cè)結(jié)構(gòu)仿真原理， 可區(qū)分的濃度差可達(dá)到1%~2%。一般人的舌頭只能識(shí)別20% 以上的濃度差，所以可以說(shuō)其靈敏度相當(dāng)高。 

　　此外，除了可判斷基本味道，還可檢測(cè)食品界已習(xí)慣使用的特殊味道的味覺傳感器也已出現(xiàn)，如可檢測(cè)出啤酒苦、麻澀、有機(jī)苦、澀味、極鮮味等共計(jì)10 種味道。這種新產(chǎn)品可以將消費(fèi)者喜歡的味道與食品的品牌進(jìn)行匹配，客觀地找出消費(fèi)者所要求的味道。 

　　該公司還開發(fā)了多種味覺傳感器陣列化集成芯片，可以通過(guò)USB連接電腦使用(見圖15)。該芯片大小為40mm × 10mm × 1mm，可應(yīng)用到便攜式味覺傳感器或嵌入電子產(chǎn)品中，使設(shè)備可根據(jù)自己的喜好自動(dòng)進(jìn)行烹調(diào)。  

　　味覺傳感器芯片是通過(guò)以下工藝制造的。首先，在玻璃基板上蝕刻多條細(xì)長(zhǎng)溝道。然后在溝道內(nèi)通過(guò)電子束加熱，鍍上薄銀膜。再用同樣的方法制作基準(zhǔn)電位電極。對(duì)應(yīng)要測(cè)量的味道，將相應(yīng)的脂質(zhì)與高分子膜與溶劑相混，制成不同的液體。然后在各條溝道中，分別注入已制成的液體，再讓溶劑揮發(fā)，在溝上形成脂質(zhì)高分子膜。然后將該玻璃基板傳感器部分安裝到信號(hào)處理部位。 

也可測(cè)量人無(wú)法感覺的味道 

　　味覺傳感器的原理還可用于食品以外的應(yīng)用，如用來(lái)分析唾液，了解齒槽膿漏、糖尿病、應(yīng)激反應(yīng)等健康狀態(tài)。富山大學(xué)準(zhǔn)教授山口昌樹所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組認(rèn)為，通過(guò)對(duì)唾液中所含的齒肉溝液進(jìn)行分析，可以測(cè)量血糖值，而通過(guò)分析消化酶(淀粉酶)則可以測(cè)量人體應(yīng)激狀態(tài)。 

　　再進(jìn)一步，以后的傳感器甚至可以測(cè)量人無(wú)法感覺的味道。那時(shí)候應(yīng)該可以應(yīng)用到更新的領(lǐng)域。

聽覺 將圣德太子的耳朵安裝到所有設(shè)備上 

　　微軟公司在發(fā)布Windows Vista之前，曾面向證券分析師公開演示了新操作系統(tǒng)的語(yǔ)音識(shí)別功能，但此次演示卻未能成功。演示人員試著讓機(jī)器識(shí)別“Dear Mom”的發(fā)音，并顯示成文本，但顯示出來(lái)的卻是“Dear aunt”。演示人員口頭指揮其進(jìn)行修正，最后的修正結(jié)果變成了“Dear aunt， let’s set so double the killer delete select all”。苦笑著的演示人員用食指指了指嘴巴，示意聽眾安靜一些。 

音源分離是關(guān)鍵 

　　這一實(shí)例直接說(shuō)明了語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的難度之大。微軟具有該領(lǐng)域最先進(jìn)的技術(shù)，但還是會(huì)如此失敗。這主要是因?yàn)閷⒆R(shí)別對(duì)象的聲音與周圍雜音進(jìn)行分離的技術(shù)難度太高，目前語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)仍處于發(fā)展中(見圖16)。 

　　與電子設(shè)備聽覺相對(duì)應(yīng)的傳感器是麥克風(fēng)。目前，音響設(shè)備、PC、汽車導(dǎo)航儀等許多電子設(shè)備上都配備了麥克風(fēng)。因此，當(dāng)小型、高性能的硅麥克風(fēng)作為聽覺傳感器元件上市之后，就無(wú)需再煩惱其集成到設(shè)備中時(shí)的尺寸問題，而且聽覺效果十分豐富。如果在一個(gè)設(shè)備上集成多個(gè)硅麥克風(fēng)，那么設(shè)備就可以具有優(yōu)良的耳朵，性能方面可達(dá)到前所未有的程度。  

　　本來(lái)，使用硅麥克風(fēng)的用戶界面應(yīng)該可以更為普及，但現(xiàn)實(shí)并非如此。主要原因就是語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)不夠成熟。反過(guò)來(lái)說(shuō)，將識(shí)別對(duì)象的聲音從周圍雜音中分離出來(lái)的聲音分離技術(shù)的改善，是聽覺傳感器普及的關(guān)鍵。 

應(yīng)用領(lǐng)域可能迅速擴(kuò)大 

　　日本歷史上有名的圣德太子，據(jù)說(shuō)能在10個(gè)人同時(shí)發(fā)聲時(shí)聽懂每個(gè)人所說(shuō)的話。這雖然是極端的例子，但人在喧鬧環(huán)境下確實(shí)可以將談話對(duì)方的聲音從周圍的雜音中分離出來(lái)，這種人耳所具有的區(qū)分聲音的能力被稱為雞尾酒會(huì)效應(yīng)。 

　　利用目前的電子設(shè)備中所集成的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，如果使用頭戴式麥克風(fēng)，只需辨識(shí)某個(gè)人發(fā)出的聲音，也能獲得很高的識(shí)別率。但其應(yīng)用必然有所限制。所以，目標(biāo)是要讓電子設(shè)備具有像圣德太子一樣的能力。而且，不光是具有比現(xiàn)在更優(yōu)良的語(yǔ)音識(shí)別性能，而且還能對(duì)設(shè)備所提取的聲音進(jìn)行自由加工。 

　　比如可以開發(fā)具有新的均衡功能的視頻設(shè)備。目前的均衡器只能按頻率帶寬控制聲音強(qiáng)弱，而新的均衡器可以強(qiáng)調(diào)或減弱音樂中特定樂器的聲音或特定的聲音，打造全新的功能。如果在會(huì)議系統(tǒng)中應(yīng)用此技術(shù)，就可以消除背景音樂，只抽取出特定發(fā)言人的意見，讓人聽得更明白。 而且，如果能與圖像數(shù)據(jù)一同使用，通過(guò)位置信息還可以用箭頭等標(biāo)出發(fā)言人所在的位置。 

　　此外，還可以面向不能使用助聽器的重度聽覺殘障人士，開發(fā)同時(shí)具有HMD(頭盔顯示系統(tǒng))功能的助聽系統(tǒng)。無(wú)論從哪個(gè)角度、發(fā)出怎樣的聲音，都可以將其文字化并顯示到顯示屏上。 

可同時(shí)聽懂３個(gè)人的下單 

　　京都大學(xué)教授奧乃博所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組建立了音源分離的技術(shù)體系，同時(shí)也領(lǐng)導(dǎo)著各領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用開發(fā)。該研究小組已開發(fā)了可以分離、識(shí)別多人同時(shí)發(fā)出的聲音的技術(shù)(見圖17)。不光可分離人的聲音，還可分離周邊環(huán)境的音樂與雜音。已試制完成的識(shí)別系統(tǒng)可以在1.9s 內(nèi)識(shí)別3 位客人同時(shí)下單的聲音。如果不選擇使用場(chǎng)所，就可以把任意說(shuō)話人作為識(shí)別對(duì)象。該處理對(duì)硬件并無(wú)特殊要求，普通PC就足夠滿足性能要求。  

　　事實(shí)上，該技術(shù)已經(jīng)被嵌入本田的雙腳步行機(jī)器人ASIMO 體內(nèi)。最關(guān)鍵的技術(shù)是具有語(yǔ)音識(shí)別功能的中間件，該中間件被稱為HARK，是與日本本田研究所共同開發(fā)的。 

　　奧乃教授開發(fā)的技術(shù)主要由三部分組成。音源定位：用來(lái)把握聲音的方向；音源分離：從混合聲音中分離個(gè)別聲音；分離音識(shí)別：識(shí)別分離后所產(chǎn)生的已變形的聲音信號(hào)。 

　　音源定位是根據(jù)多個(gè)麥克風(fēng)所取得的聲音的差異來(lái)掌握音源位置。使用麥克風(fēng)劃分音源位置時(shí)，如果增加所用麥克風(fēng)的數(shù)量，就可以更準(zhǔn)確地確定位置。因此，ASIMO上左右兩側(cè)各集成了4個(gè)麥克風(fēng)。小型硅麥克風(fēng)的上市，使得一臺(tái)設(shè)備上即使集成多個(gè)麥克風(fēng)，也不會(huì)出現(xiàn)安裝面積不夠的問題。 

　　音源分離分析需遵守以下原則：相同方向只有一個(gè)音源；相同的諧波結(jié)構(gòu)(基本聲音的表現(xiàn))；所捕捉聲音的性質(zhì)，如果細(xì)分的話，每個(gè)人是不一樣的。HARK 參照位置與諧波結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，將聲音分組后再分離音源。 

　　但是，由于聲音是從各種聲音重合之后再分離的，所以分離后的各音源的聲音波形會(huì)發(fā)生變形。如果不加以處理，就會(huì)產(chǎn)生識(shí)別錯(cuò)誤。 

　　因此系統(tǒng)中導(dǎo)入了被稱為MFM(Missing feature Mask)的技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)就可以識(shí)別變形后的聲音信號(hào)。在利用MFM技術(shù)識(shí)別時(shí)，如果與參照模型有較大差異，就進(jìn)行掩碼處理，屏蔽掉變形較大的部分后再進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別。也就是刪除造成誤差的部分，只對(duì)剩下部分的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別。 

聲音內(nèi)所包含的情感及狀況 

　　除了語(yǔ)音分離技術(shù)之外，在該領(lǐng)域較為重要的技術(shù)開發(fā)有兩種趨勢(shì)。其一是從語(yǔ)音當(dāng)中提取說(shuō)話人的情感及周邊環(huán)境信息的技術(shù)。另外就是直接提取說(shuō)話人當(dāng)時(shí)的真實(shí)環(huán)境下的聲音，包括由于說(shuō)話人所在位置周圍的建筑物所引起的聲音微妙變化等。雖然提取的是真實(shí)環(huán)境的聲音，但輸出時(shí)可自由輸出。 

　　人類發(fā)出的聲音，除了包含一般語(yǔ)音識(shí)別可得到的語(yǔ)言信息之外，還包括了說(shuō)話人的情感信息。例如面紅耳赤時(shí)所發(fā)生的聲音、震動(dòng)的聲音、低沉的聲音等。此外，雜音中也包括了說(shuō)話人所處周邊環(huán)境的信息。 

　　以往情況下，這些信息都是直接忽略的，如果要讀取此類信息，可能就需要能夠靈活控制電子設(shè)備工作的技術(shù)。例如，在汽車方面，當(dāng)駕駛員陷入很容易引起操作失誤的情緒時(shí)，汽車如果能夠?qū)Υ诉M(jìn)行判斷，那么就可以考慮相應(yīng)的對(duì)策。 

　　還有一種新的技術(shù)也正在開發(fā)，就是傳輸包括音源在內(nèi)的音響空間的信息，這樣，在重放時(shí)即可重現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)十分接近的音響空間。即使閉上眼睛聆聽，也可以感覺到周圍有什么，空氣是怎么流動(dòng)。 

　　京都大學(xué)與國(guó)際電氣通信基礎(chǔ)研究所共同開發(fā)了將音響空間傳輸?shù)竭h(yuǎn)方的技術(shù)。通過(guò)70 個(gè)麥克風(fēng)與安裝在聽眾周圍的70 個(gè)揚(yáng)聲器，可以與遠(yuǎn)方共享相同的音響空間。 

　　此外，東京理科大學(xué)教授溝口博所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組所開發(fā)的技術(shù)，可以在3個(gè)方向安裝32個(gè)揚(yáng)聲器，并可向揚(yáng)聲器所包圍范圍內(nèi)的某人傳輸聲音。分別控制各揚(yáng)聲器輸出聲音時(shí)的延時(shí)與振幅，然后通過(guò)相互干涉，可以只在圓柱狀或球狀范圍內(nèi)使人聽到6dB~8dB的聲音。 此技術(shù)可應(yīng)用于街頭廣告等用途，例如可以只對(duì)行走在一定范圍內(nèi)的特定人員發(fā)送聲音。 

視覺 挑戰(zhàn)超人類的視野 

　　與其他五感傳感器相比，視覺傳感器，特別是傳感器元件部分(各種感光元件)的實(shí)用化程度高出很多。目前仍在進(jìn)一步發(fā)展，其中包括人臉識(shí)別、笑臉識(shí)別之類的圖像識(shí)別技術(shù)。不過(guò)，由于大部分產(chǎn)品都只是追求類似人類視覺的效果，所以在超越人類感覺上的開發(fā)目前尚未太多進(jìn)展。特別是在超高速動(dòng)態(tài)物體的拍攝及信息處理等方面，進(jìn)展明顯不夠。 

高精度與高速度 

　　對(duì)于超越人類感覺的視覺傳感器，目前正在進(jìn)行開發(fā)的包括紅外線、紫外線等非可視光感光元件，以及1個(gè)光子級(jí)的超微光檢測(cè)技術(shù)，還有1萬(wàn)～100 萬(wàn)分之1秒極短時(shí)間內(nèi)的曝光攝影技術(shù)等。此類技術(shù)在醫(yī)療、汽車事故測(cè)試等各種開發(fā)現(xiàn)場(chǎng)的需求較大。但是，如果要求綜合性能高，追求高精度、高速度的圖像識(shí)別性能，就只能選擇特定功能的產(chǎn)品。例如，分辨率為1000 萬(wàn)像素的影像最多只能達(dá)到10fps，相反如果速度為1000fps，那么最高精度就只有100萬(wàn)像素，而且只能保存幾十秒的記錄，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的圖像識(shí)別等。 

　　之所以如此，是因?yàn)橐韵氯c(diǎn)原因。首先，受限于感光元件的反應(yīng)速度。當(dāng)像素?cái)?shù)增加時(shí)，每次掃描時(shí)間就更長(zhǎng)，幀速率就無(wú)法提高。如果像素為1000 萬(wàn)、速度為10fps，讀出1 個(gè)像素所花費(fèi)的時(shí)間就必須在10ns(1 億分之1 秒)以下。第二，受限于傳輸帶寬。將大容量圖像數(shù)據(jù)從感光元件傳往PC 等圖像處理系統(tǒng)時(shí)，傳輸帶寬有限。如果像素為100 萬(wàn)、速度為1000fps，每1 個(gè)像素的信息為10 位時(shí)，傳輸速度至少需要10Gbps。該速度已經(jīng)是目前可使用的傳輸技術(shù)的上限，雖然可以實(shí)現(xiàn)，但成本太高。 

　　第三，受限于存儲(chǔ)器與圖像識(shí)別速度。傳輸大容量數(shù)據(jù)時(shí)，如果速度超過(guò)10Gbps，那么即使設(shè)備的存儲(chǔ)容量超過(guò)1TB，也只能保存13分鐘左右的數(shù)據(jù)。要想實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)，光靠芯片上的緩存是難以實(shí)現(xiàn)的。如果將數(shù)據(jù)保存到內(nèi)存內(nèi)，不光是傳輸速度的問題，傳輸延遲問題等也是瓶頸。 

生物仿真視覺傳感器 

　　日本東北大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科生物機(jī)器人專業(yè)教授小柳光正與準(zhǔn)教授田中徹的研究小組，正在研究模擬生物眼睛的視覺傳感器，以期能突破上述限制。其目標(biāo)是用幾十mW的極低功率實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于 1 萬(wàn)fps 的超高速影像。 

　　具體來(lái)說(shuō)，是開發(fā)仿真眼球視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)的人工視網(wǎng)膜芯片(見圖18)。該芯片將受光芯片、輸出控制芯片、調(diào)制芯片等通過(guò)貫通電極縱向疊層而成。目前，主要面向視網(wǎng)膜功能受損的失明人士，目標(biāo)是取代視網(wǎng)膜與視神經(jīng)連接，從而恢復(fù)視力。該芯片由安裝在眼鏡上的電池進(jìn)行無(wú)線電磁感應(yīng)供電。目前已開發(fā)出在非層積型芯片上集成輸出電路的試驗(yàn)芯片，并將該芯片嵌入到兔子的眼球里，確認(rèn)了其反應(yīng)。  
 

      該人工視網(wǎng)膜用芯片與現(xiàn)有的感光元件有幾大差別。最大的不同就是各像素直接與神經(jīng)相連，無(wú)需掃描像素。 

　　據(jù)小柳教授介紹：“雖然最近已有感光元件通過(guò)采用并行掃描每個(gè)像素列的列并行技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高速度。但我們開發(fā)的產(chǎn)品采用點(diǎn)并行方式，無(wú)需掃描就可同時(shí)讀出所有像素，所以無(wú)需掃描時(shí)間。由于像素之間的運(yùn)算能夠?qū)崿F(xiàn)超高速，所以應(yīng)答時(shí)間快。如果用幀速率描述，大概相當(dāng)于1000fps～10000fps。” 

　　掃描型產(chǎn)品雖然在原理上可以通過(guò)提高幀速率來(lái)提高反應(yīng)速度，但此時(shí)的功耗就過(guò)于龐大。相反，生物據(jù)說(shuō)只需幾十mW的能量就可以活動(dòng)眼睛。所以如果是點(diǎn)并行技術(shù)，就無(wú)需提高每個(gè)元件與電路的處理速度。 

　　此外，人工視網(wǎng)膜用芯片的輸出電路是立體層疊而成的，所以開口率高，而且采用了脈沖數(shù)調(diào)制，調(diào)制方式與生物體的調(diào)制方式相同。這些都是與現(xiàn)有感光元件不同的地方。 

超高速處理會(huì)改變社會(huì) 

　　與東北大學(xué)小柳教授的開發(fā)思路類似，廣島大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科復(fù)雜系統(tǒng)專業(yè)教授石井抱與東京大學(xué)大學(xué)院信息理工系研究科系統(tǒng)信息學(xué)專業(yè)教授石川正俊所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用現(xiàn)有技術(shù)也開發(fā)了階段性執(zhí)行圖像數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)。石井教授開發(fā)的Hiroshima Hyper Human Vision (H3 Vision)系統(tǒng)，具有高精度且超高幀速率，而且可以實(shí)時(shí)處理信息。該系統(tǒng)由美國(guó)Photron公司的100 萬(wàn)像素、1000fps 的攝像頭、FPGA信息處理電路，以及PC組成(見圖19)。  

　　石井教授小組的目的是想調(diào)查將超高速幀的圖像數(shù)據(jù)傳輸給電腦的途中，如果只抽取必要信息，會(huì)有什么結(jié)果。但是，傳輸超高速幀時(shí)，一般用來(lái)進(jìn)行圖像識(shí)別處理的電腦能力不足，存儲(chǔ)器容量也不夠，于是他們考慮在傳輸過(guò)程中去除一部分信息，以減輕電腦負(fù)擔(dān)。因此，現(xiàn)在的系統(tǒng)比較類似腦視覺處理系統(tǒng)。 

視覺變身為聽覺和觸覺 

　　在石井教授開發(fā)的系統(tǒng)里，如果改變FPGA 的處理內(nèi)容，并對(duì)提取的數(shù)據(jù)內(nèi)容及運(yùn)算處理進(jìn)行各種變換，就可以適當(dāng)改變傳感器的作用(見圖20)。例如，使用前后時(shí)序的數(shù)據(jù)，并對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分處理，就可以看見速度分布。石井教授的小組使用上述技術(shù)，可以讓機(jī)器人在幾米的近距離內(nèi)以160km/s 的速度擊球。由于可以看到以30 轉(zhuǎn)/s 的速度旋轉(zhuǎn)的球的樣子，所以可以擊打曲線球，這已經(jīng)明顯超過(guò)了人類的能力。  

　　如果不采用時(shí)間微分，而是批量處理相鄰的多個(gè)像素，那么就是在影像系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的擴(kuò)大/ 縮小，而且毫無(wú)雜音。而如果使用提取物體動(dòng)作的算法，就可以通過(guò)視覺識(shí)別聲音的振動(dòng)。這是由于，幀速率達(dá)到1000fps~10000fps 時(shí)，正好與人類的大部分可聽頻率(20Hz~20kHz)及時(shí)間分辨率相重合。打響指、輕擊物體但并不發(fā)出實(shí)際聲音時(shí)，也可以通過(guò)視覺傳感器取得聲音信息。 

　　此外，該系統(tǒng)還可用來(lái)制造加速度傳感器與觸覺傳感器。只需再將速度分布進(jìn)行微分，就可以看見加速度分布。牛頓定律F=ma 描述了加速度與力的關(guān)系。如果對(duì)列車過(guò)橋時(shí)的圖像進(jìn)行速度分布微分處理，那么就可以看到力加載在橋的哪里，而且可以發(fā)現(xiàn)螺栓的松弛及龜裂等問題。 

　　用手指彈弄某物體時(shí)，可以根據(jù)振動(dòng)分布及傳遞方式了解手指的接觸位置與所彈物體的材質(zhì)等，這相當(dāng)于可以取代觸覺傳感器。