奇妙的通信精华.docx

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奇妙的通信精华

云南大学

奇妙的未来通信

学院:

信息学院

专业:

通信工程

学号:

学生姓名:

指导教师:

日期:

2010-5-17

摘要

据悉，人类的通信从简单的火光、声音、文字等到今天的远程、快速的模拟通信、数字通信等，已经包含了人类感官的视觉和听觉。

单是这两种感官通信所携带的信息量就高达55%以上，而仍然还留有45％的信息是由人类的味觉、嗅觉和触觉承担的。

要是能将人类的“五感”联合一起实时传输，实现“身临其境”该是多么令人兴奋的事。

近些年来，随着各种传感器产品及传感器网络的出现和发展使得味觉、嗅觉和触觉的通信成为了现实和可能。

本文围绕通信的信源端和信号终端如何实现味觉、嗅觉甚至触觉的信息传输展开，分为两大部分。

第一部分，信号源数字化。

嗅觉传感器、味觉传感器、仿生皮肤、电子鼻、电子舌的出现实现了嗅觉、味觉和触觉的数字化，本文对金属氧化物半导体传感器、声表面波型气敏传感器、表面等离子共振味觉传感器、Texas味觉传感器，电子鼻、仿生皮肤的工作原理。

第二部分，信号终端的信号恢复。

本文涉及两种恢复方式，其一是终端合成法，这主要用于味觉，即在终端设备上安装气味合成器，信号到达终端时启动气味合成器来合成原来的气体并散发出来。

其二超声波法，这种方法源于美国科学家正在研究并不久将面世的气味电视，该方法可以满足味觉、嗅觉甚至触觉的终端信号恢复，能真正让人“身临其境”，而后对这两种方法做一个比较简单的对比，看其优劣，最后对该论题做出一个小结。

关键字：

电子鼻、传感器、仿生皮肤、数字化、超声波、信号恢复

引言

现在人类的通信已经很丰富了，如多媒体就已经包含文字、声音、图像、数据、视频，然而人们还不满足现有的通信，不满足听觉和视觉的享受，总是想方设法增加通信给人们带来的其他享受，所以人们就吧眼光转向味觉、嗅觉甚至触觉，想真正的感受“身临其境”的奇妙感觉，那么人们是如何实现这一切的呢。

1信号源数字化

由于决定气味、味道的东西都是由各种分子决定，如味觉就是指酸、咸、甜、苦、鲜等人类味觉器官的感觉。

其中，酸味由氢离子引起，如盐酸、氨基酸、柠檬酸等；咸味主要由NaCl引起；甜味主要由蔗糖、葡萄糖等引起；苦味是由奎宁、咖啡因等引起；鲜味是由海藻中的谷氨酸单钠（MSG）、鱼和肉中的肌苷酸二钠（IMP）、蘑菇中的鸟苷酸二钠等引起[1]。

知道这些对我们实现味道数字化有着极其重要的意义，而电子舌及味觉传感器就可以完成对味道的数字化。

对气味，我们可以对各种气体的信息进行分析并建立相应的数据库，其中一种就是气味指纹图[2]。

据悉，以色列著名的威茨曼研究所的数学家巴威.哈尔和生物化学家科隆.兰舍特经过长达3年的合作研究，已经能够大致分析出150种不同气味的特性。

同样电子鼻及气味传感器完全可以完成对气味的数字化。

另外对于触觉，无非就是热、烫、疼、滑、压力等，那么这些触觉的数字化可以用仿生皮肤来实现。

图1感官通信原理模块框图

1.1数字化模块

1.1.1嗅觉

因为一种传感器不可能对所有的信息都敏感，故而数字化模块主要由各种传感器构成，可以说是一个微小的传感器网络或传感器阵列从而实现多传感器信息融合[3]。

电子鼻的一个重要组成部分是嗅觉传感器，也可以说，电子鼻就是一种嗅觉传感器。

图2iSmell原理示意图

图2向我们展示了嗅觉感官通信的系统图，显然受体终端使用了合成的方法。

我们知道许多传感器，特别是生物传感器大都是仿照动物或人的神经系统来制作的，嗅觉传感器也不例外。

由于单个传感器的响应是不能断定某种气体的存在，所以对气体要做出更准确的判断就必须用n个传感器来进行测定[4]，如下图示。

图3人工嗅觉系统结构框图

图3中的知识库就是预先对各种气体的信息处理结果存储集合，这里以气味指纹图为例，有n个传感器对某一气体有n个不同的响应值，那么就以n个响应值为半径，每隔

作一个点，之后把每一个点用平滑的直线连起来，就可以得到该气体的指纹图了，如下图示。

图4气味指纹图

气味传感器[5]是利用仿生学原理，根据鼻黏膜在接受气味刺激后引起嗅觉细胞电位改变的原理而研制的。

气味传感器使用了一种结构与人类嗅觉鼻黏膜极为相似的人工合成双层薄膜为了定量薄膜吸附气味的总量，气味传感器还使用了一个压电晶振装置，此装置是一种每秒钟振动数百万次的振动器，当薄膜吸附气味后，覆盖在振动器上的薄膜的重量增加，振动器的频率改变，频率变化大小可以用电信号输出，能够测量频率就能够确定吸附气味的总量。

气味传感器的结构如图5所示。

图5气味传感器结构图

1.1.2触觉

触觉数字化可以用触觉传感器和接近觉传感器等实现，其中仿生皮肤是一种较好的选择。

仿生皮肤是一种集触觉、压觉、滑觉和热觉传感器于一体的多功能复合传感器，很像人类的皮肤的多种感觉功能。

它采用具有压电效应和热释电效应的PVDF敏感材料，具有温度范围、体电阻高、质量小、柔顺性好、机械强度高和频率响应宽等特点，仿生皮肤的结构图如下图。

传感器表层为保护层（橡胶包封表层），上层为两面镀银的整块PVDF，分别从两面引出电极。

下层由特种镀膜形成条状电极，引线由导电胶粘接后引出。

在上下两层PVDF间，由电加热层和柔性隔热层（软塑料泡沫）形成两个不同的物理测量空间。

上层PVDF获取温觉和触觉信号，下层条状获取压觉和滑觉信号。

为使PVDF具有温觉功能，电加热层维持上层PVDF温度

左右，当待测物体接触传感器时，与其上层PVDF层存在温差、导致热传递的产生，是PVDF的极化面产生相应数量的电荷，从而输出电压信号。

图6PVDF仿生皮肤传感器结构剖图

1.1.3味觉

电子舌味觉传感器也是多种多样，如表面等离子共振味觉传感器、Texas味觉传感器[6]等。

金属表面的电荷密度波在固体物理学中被量子化描述为“表面等立体激元”（surfaceplasmon）。

表面等立体激元被激发的现象称为“表面等立体激元共振”（surfacePlasmonresonance,SPR）[7]，表面等离子共振味觉传感器使用DHP（dihexacdecylphosphate,复六方基磷酸酯）制成的多层LB类脂膜作味觉传感器的敏感膜，根据膜与味觉物质的相互作用来探测味觉物质，如下图示。

图7表面等离子共振味觉传感器

金膜脱水后放置在玻璃棱镜上LB膜放在样本电极（S）一边，先把10

蒸馏水滴在R（参考电极）和S两极，然后两边同时加味觉物质，测量两边电极的差就可以检测到味觉物质和类脂膜之间的相互作用的特性。

2信号终端恢复

在味觉、嗅觉和触觉通信中笔者的感觉是数字化比较容易实现，而信号在终端的恢复有点困难，特别是触觉的恢复。

据悉触觉信号终端的恢复还不够成熟或许还在研究阶段，笔者在此讲述两种方法。

2.1信号恢复模块

2.1.1终端合成法

笔者在此以气味合成为例，这种方法所需的通信终端包含了必须的通信模块外还需气味驱动模块、气味存储和散发模块，如图8所示，其中气味存储部分对气体的存储可以是气态、液态甚至固态。

当通信模块接到信号并满足触发条件时，向气味驱动模块发送信号并启动气味合成和散发模块散发气体，人们便可以感受到从网络源端“飘”来的气味了。

通信结束时，驱动模块驱动存储和散发模块关闭。

图8通信终端组成框图

2.1.2超声波法

我们知道声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了，这时的声波便是超声波了，超声波的特点：

超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播，可传递很强的能量，超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象，在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

当超声波作用于动物的神经系统时会影响动物的神经系统，进而影响动物的行为和感官体验，这一点已经得到许多证明，如超声波驱鼠器[8-9]的成功运用。

据德国《太阳报》报道，美国科学家从2005年开始就在研究并计划用5年的时间来实现气味电视，用的就是超声波法。

既然如此，我们也能在通信终端安装一个超声波发射装置，当通信时向人的大脑发射无害的超声波让人们可以实现嗅觉、味觉和触觉的感官享受。

图9个人认知信息系统

2.1.3合成法与超声波法的对比

笔者认为合成法似乎更让人容易想到，此法设备体积大，不方便，气体存储不太方便且可存气体种类有限，需要经常补充或跟换存储的信息，特别是味觉和触觉不易用此法实现。

超声波较之更好，不论是味觉、嗅觉，还是触觉都很容易实现。

3小结

笔者从嗅觉、味觉和触觉通信的源端和终端实现两个方面来叙述该文，虽然不完整，说服力不强，但自认为还是比较有趣的。

确实现在的通信在嗅觉、味觉和触觉方面还有很大的空白，还不能真正满足人们“身临其境”的要求，不过笔者认为这一时刻的来临已经不远了。

参考文献

[1]高国富，谢少荣，罗均．机器人传感器及其运用[M]．北京：

化学工业出版社，2005．25~26.

[2]韩邦兴，陈乃富，周晓坤，王盛.基于电子鼻技术分析开花对前胡气味的影响[J].科学食品,2010,Vol.31,No.04:

2~3.

[3]高国富，谢少荣，罗均．机器人传感器及其运用[M]．北京：

化学工业出版社，2005．161~164.

[4]高国富，谢少荣，罗均．机器人传感器及其运用[M]．北京：

化学工业出版社，2005．23.

[5]杨宏明，罗海珠.利用气味检测法预测预报煤矿火灾[J].煤炭科学技术,2002,30（12）:

1~2.

[6]高国富，谢少荣，罗均．机器人传感器及其运用[M]．北京：

化学工业出版社，2005．26~27.

[7]隋森芳，肖才德，杨军.表面等立体激元共振生物传感器[M].上海：

上海科学技术出版社，2008.5~23.

[8]孟凤霞,刘起勇,宋秀平,吴海霞.超声波驱鼠器对鼠活动行为的影响及其应用探讨[J].中国媒介生物学及控制杂志,2007,18（3）:

1~4.

[9]张建龙，谢鹏程，翟长远，吴婷婷.基于仿生学原理的新型电子驱鼠器

的设计与开发[J].学术,2009,36（3）:

1~3.