3D列印仿生狗鼻

■模仿狗狗的嗅覺原理,科學家打造 3D 打印機製作的仿生狗鼻,成功提高現行氣味偵測技術效能10倍以上,還能夠檢測出微量的炸藥和其他違禁品。

16029撰文|黃貞祥

一般來說,機場和海港等地使用的氣味檢測設備通常採用被動採樣。還需要擦拭手或其他表面,然後讓樣品通過化學檢測器(通常是離子移動率光譜儀)等笨重的設備。棒狀氣體檢測器更具機動性,但除非檢測器立即掃描其上方,否則炸彈製備成分的化學特徵不易被發現。

為了研究如何提高檢測能力,科學家把主意打到自然界最好的化學探測器之一──狗的身上。國家標準與技術研究所(NIST)機械工程師和流體動力學家Matthew Staymates等人指出,狗狗利用一種主動的空氣動力學抽樣系統,來吸取氣味,並用流體動力學的原理提高採樣距離。從之前的研究瞭解到狗在嗅東西時,以每秒五次的頻率吸吐氣,好讓具有三億受體細胞的鼻子能充滿氣味分子。

Matthew Staymates等人和麻省理工學院林肯實驗室以及美國食品和藥物管理局的科學家,在一個市售爆炸物探測器的前端安裝了一個狗鼻式適配器。這個人造狗鼻是用3D打印機製作的,他們複製了拉布拉多犬鼻子的外部特徵,包括鼻孔的形狀、方向和間距。並以狗吸入和呼出相同的速率讓氣體動通過人造鼻子,使它們能模仿狗狗的空氣取樣或嗅探。

此外還使用一種在航空工程中廣泛應用的紋影成像技術,可以探究物體周圍的空氣流,配上高速影片,他們確認仿真狗鼻可以真正地主動嗅聞氣體。

結果發現,人造狗鼻的採樣效率在離氣體源的10公分處提高了4倍,在20公分的距離則提高了18倍。隨後的改進,該裝置在檢測距離4公分處的效率還提高了16倍。應用這種仿生的設計原理,可以顯著有效地改進的氣體採樣器,以用於檢測爆炸物、毒品、病原體,甚至癌症。

原學術論文:Matthew E. Staymates, William A. MacCrehan, Jessica L. Staymates, Roderick R. Kunz, Thomas Mendum, Ta-Hsuan Ong, Geoffrey Geurtsen, Greg J. Gillen, Brent A. Craven. Biomimetic Sniffing Improves the Detection Performance of a 3D Printed Nose of a Dog and a Commercial Trace Vapor Detector. Scientific Reports, 2016; 6: 36876 DOI: 10.1038/srep36876

參考資料:
1. National Institute of Standards and Technology (NIST). "Sniffing like a dog can improve trace detection of explosives." ScienceDaily. 1 December 2016.
2. Agence France-Presse in Paris. Bomb detector works better with fake dog nose on the end. The Guardian. 1 December 2016.

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作者:黃貞祥,現任教於國立清華大學分子與細胞生物研究所暨生命科學系,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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