2014年05月28日08:49
氣味檢測利用昆虫的特性
此外還有其他積極利用生物制造傳感器的動向。其中，昆虫不但種類繁多，還具備能對氣味、尤其是費洛蒙做出敏感反應的性質。東京大學尖端技術研究中心副所長、生命智能系統領域的教授神崎亮平領導的研發小組，就在推進將昆虫的這種特性用於傳感器的研究。
神崎等人現在正大力構筑使昆虫的嗅覺受體（膜蛋白質）與氣味物質的聯系實現系統化的數據庫（圖3）。他們從不同種類的昆虫中提取嗅覺受體，測量其對哪種氣味物質會做出什麼程度的反應，然后做成表格。目標是完成300種嗅覺受體與200種氣味物質的組合。
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圖3：瞄准生物傳感器的實用化 通過將大量昆虫的嗅覺受體制成數據庫，制作對特定氣味做出反應的昆虫和細胞。傳感器細胞通過採用使某種特定化學物質附著在受體上就會發光的改質細胞實現。（圖由《日經電子》根據東京大學的資料制作） |
該數據庫的制作利用了根據“甘藍夜蛾蛹卵巢”培養的細胞“Sf21”。在Sf21中嵌入從各種昆虫中提取的嗅覺受體基因進行培養，調查對氣味物質做出的反應。通過在Sf21中嵌入與氣味物質跟嗅覺受體結合時流入細胞內的鈣離子發生反應的熒光蛋白質基因，可以從外部觀察這種反應。根據對氣味物質的反應強度的不同，熒光量也會增大，因此該方法可以測量反應強度。
該數據庫建成后，就能從想檢測的氣味物質中推斷出反應的受體。例如，有望檢索最適合癌症患者的患部發出的氣味物質之一“二甲基三硫”的受體是什麼等。另外，估計還能檢索可檢測多種氣味物質的受體組合。
神崎的研發小組打算用兩種方法實現利用該數據庫的傳感器。一是“傳感器桑蠶”。桑蠶具備檢測到費洛蒙后就會移動的性質。如果在其觸覺的費洛蒙檢測部通過基因操作導入對目標氣味物質發生反應的受體，就能實現把這種氣味物質誤認為是費洛蒙並做出反應的桑蠶。“例如，可以考慮在機場的行李檢查線上設置經過基因操作的桑蠶，當裝有非法肉類和爆炸品的行李靠近，桑蠶會一起做出反應”（神崎）。
另一種是作為傳感器細胞安裝的方法。通過為上述Sf21導入目標受體的基因，可制造對特定氣味物質發光的細胞。
不輸人類的觸覺傳感器
除了利用生物自身機制的傳感器外，利用生物感覺器官的形狀，大幅提高傳感器性能的研發也在進行中。其中比較獨特的是福島大學理工學院教授島田邦雄的研發小組試制的觸覺傳感器，該傳感器採用了人類指紋的凸凹構造（圖4）。即使在垂直方向以0.01N的微弱力量摩擦物體，也能判斷材質的不同。“飛機和船舶進行涂裝后，用人工傳感器無法判斷涂裝是否平滑，因此現在仍然是由工匠用手來確認。如果採用我們試制的傳感器，就可以代替工匠來做這項工作”（島田）。
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圖4：通過像指紋一樣的凸凹提高傳感器靈敏度 福島大學開發出了MCF橡膠，把混合金屬顆粒物、磁鐵礦顆粒物和溶劑制作的“MCF”導電材料與橡膠混合制作而成（a）。用該橡膠摩擦物體，橡膠會根據物體表面的粗糙度而變形，電阻值因此發生變化，流過橡膠的電流也發生變化（b）。所以可作為觸覺傳感器利用。另外，在MCF橡膠的表面貼上帶指紋凸凹的膜，靈敏度會進一步提高（c、d）。（圖由《日經電子》根據福島大學的資料制作） |
在試制的傳感器中發揮重要作用的，是島田的研發小組2001年開發的磁性材料“Magnetic Compound Fluid（MCF）”。由粒徑為μm級的金屬顆粒物與粒徑約為10nm的磁鐵礦（Fe3O4）以及溶劑混合制作。開發之初金屬顆粒物採用鐵（Fe），不過現在採用靈敏度高的鎳（Ni）。將MCF混入橡膠中，邊加載磁場邊使之凝固，制作具備磁各向異性的導電性橡膠。
在向MCF橡膠加載電壓的同時摩擦物體，橡膠會根據其表面狀態變形。由此電阻值會發生變化，流過MCF橡膠的電流值也因此而改變。把這種電流變化作為觸覺傳感器來利用。
以往的感壓式導電性橡膠也能實現相同的功能，不過MCF橡膠的“靈敏度要高得多”（福島大學的島田）。針對壓力的電阻變化是以往的導電性橡膠的100倍以上。還能檢測竹莢魚魚鱗的凸凹，以及鳴鳴蟬和秋蟬翅膀表面光滑度的不同等。
模仿指紋提高靈敏度
島田認為，“人類的指紋應該有助於提高觸覺靈敏度”，因此在MCF橡膠的表面貼上了帶有指紋凸凹的膜（硅橡膠）。由此進一步提高了MCF橡膠傳感器的靈敏度。關於凸凹，嘗試了橫線狀、格子狀和同心圓狀等多種形狀。哪種形狀更好因觸摸對象物而異，不過“無論哪種形狀，總的來說都能提高靈敏度”（島田）。
利用MCF橡膠的話，不僅是觸覺，還能制成檢測“痛覺”、“壓覺”、“溫覺”、“冷覺”的傳感器。僅用MCF橡膠就能實現人的5覺。壓覺方面，MCF橡膠的電阻值會根據壓力而改變，因此能實現。痛覺會“在單位面積的力較強時產生”（島田），所以用面積除以檢測的壓力即可計算出來。溫覺和冷覺方面，MCF橡膠會隨著溫度變化而略微變形，調查因此而產生的電流值變化即可查明。
MCF橡膠雖然可實現5覺，但分解每種感覺進行辨別是一個課題。因此，島田打算對MCF橡膠檢測到的電流進行快速傅裡葉變換，通過分析其頻率成分來區分5覺。雖然目前還不能完全分離，但“感覺就快實現了”（島田）。（作者：根津禎、中道理，日經技術在線！供稿）
MCF橡膠傳感器的靈敏度較高，估計還能實現可輕輕撫摸人的頭部的機器人注2）。
注2）MCF除了傳感器外，還可用於拋光材料和抗震用減震器。採用MCF的拋光機已經實現實用化。
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