2014年05月28日08:49
气味检测利用昆虫的特性
此外还有其他积极利用生物制造传感器的动向。其中，昆虫不但种类繁多，还具备能对气味、尤其是费洛蒙做出敏感反应的性质。东京大学尖端技术研究中心副所长、生命智能系统领域的教授神崎亮平领导的研发小组，就在推进将昆虫的这种特性用于传感器的研究。
神崎等人现在正大力构筑使昆虫的嗅觉受体（膜蛋白质）与气味物质的联系实现系统化的数据库（图3）。他们从不同种类的昆虫中提取嗅觉受体，测量其对哪种气味物质会做出什么程度的反应，然后做成表格。目标是完成300种嗅觉受体与200种气味物质的组合。
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图3：瞄准生物传感器的实用化 通过将大量昆虫的嗅觉受体制成数据库，制作对特定气味做出反应的昆虫和细胞。传感器细胞通过采用使某种特定化学物质附着在受体上就会发光的改质细胞实现。（图由《日经电子》根据东京大学的资料制作） |
该数据库的制作利用了根据“甘蓝夜蛾蛹卵巢”培养的细胞“Sf21”。在Sf21中嵌入从各种昆虫中提取的嗅觉受体基因进行培养，调查对气味物质做出的反应。通过在Sf21中嵌入与气味物质跟嗅觉受体结合时流入细胞内的钙离子发生反应的荧光蛋白质基因，可以从外部观察这种反应。根据对气味物质的反应强度的不同，荧光量也会增大，因此该方法可以测量反应强度。
该数据库建成后，就能从想检测的气味物质中推断出反应的受体。例如，有望检索最适合癌症患者的患部发出的气味物质之一“二甲基三硫”的受体是什么等。另外，估计还能检索可检测多种气味物质的受体组合。
神崎的研发小组打算用两种方法实现利用该数据库的传感器。一是“传感器桑蚕”。桑蚕具备检测到费洛蒙后就会移动的性质。如果在其触觉的费洛蒙检测部通过基因操作导入对目标气味物质发生反应的受体，就能实现把这种气味物质误认为是费洛蒙并做出反应的桑蚕。“例如，可以考虑在机场的行李检查线上设置经过基因操作的桑蚕，当装有非法肉类和爆炸品的行李靠近，桑蚕会一起做出反应”（神崎）。
另一种是作为传感器细胞安装的方法。通过为上述Sf21导入目标受体的基因，可制造对特定气味物质发光的细胞。
不输人类的触觉传感器
除了利用生物自身机制的传感器外，利用生物感觉器官的形状，大幅提高传感器性能的研发也在进行中。其中比较独特的是福岛大学理工学院教授岛田邦雄的研发小组试制的触觉传感器，该传感器采用了人类指纹的凸凹构造（图4）。即使在垂直方向以0.01N的微弱力量摩擦物体，也能判断材质的不同。“飞机和船舶进行涂装后，用人工传感器无法判断涂装是否平滑，因此现在仍然是由工匠用手来确认。如果采用我们试制的传感器，就可以代替工匠来做这项工作”（岛田）。
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图4：通过像指纹一样的凸凹提高传感器灵敏度 福岛大学开发出了MCF橡胶，把混合金属颗粒物、磁铁矿颗粒物和溶剂制作的“MCF”导电材料与橡胶混合制作而成（a）。用该橡胶摩擦物体，橡胶会根据物体表面的粗糙度而变形，电阻值因此发生变化，流过橡胶的电流也发生变化（b）。所以可作为触觉传感器利用。另外，在MCF橡胶的表面贴上带指纹凸凹的膜，灵敏度会进一步提高（c、d）。（图由《日经电子》根据福岛大学的资料制作） |
在试制的传感器中发挥重要作用的，是岛田的研发小组2001年开发的磁性材料“Magnetic Compound Fluid（MCF）”。由粒径为μm级的金属颗粒物与粒径约为10nm的磁铁矿（Fe3O4）以及溶剂混合制作。开发之初金属颗粒物采用铁（Fe），不过现在采用灵敏度高的镍（Ni）。将MCF混入橡胶中，边加载磁场边使之凝固，制作具备磁各向异性的导电性橡胶。
在向MCF橡胶加载电压的同时摩擦物体，橡胶会根据其表面状态变形。由此电阻值会发生变化，流过MCF橡胶的电流值也因此而改变。把这种电流变化作为触觉传感器来利用。
以往的感压式导电性橡胶也能实现相同的功能，不过MCF橡胶的“灵敏度要高得多”（福岛大学的岛田）。针对压力的电阻变化是以往的导电性橡胶的100倍以上。还能检测竹荚鱼鱼鳞的凸凹，以及鸣鸣蝉和秋蝉翅膀表面光滑度的不同等。
模仿指纹提高灵敏度
岛田认为，“人类的指纹应该有助于提高触觉灵敏度”，因此在MCF橡胶的表面贴上了带有指纹凸凹的膜（硅橡胶）。由此进一步提高了MCF橡胶传感器的灵敏度。关于凸凹，尝试了横线状、格子状和同心圆状等多种形状。哪种形状更好因触摸对象物而异，不过“无论哪种形状，总的来说都能提高灵敏度”（岛田）。
利用MCF橡胶的话，不仅是触觉，还能制成检测“痛觉”、“压觉”、“温觉”、“冷觉”的传感器。仅用MCF橡胶就能实现人的5觉。压觉方面，MCF橡胶的电阻值会根据压力而改变，因此能实现。痛觉会“在单位面积的力较强时产生”（岛田），所以用面积除以检测的压力即可计算出来。温觉和冷觉方面，MCF橡胶会随着温度变化而略微变形，调查因此而产生的电流值变化即可查明。
MCF橡胶虽然可实现5觉，但分解每种感觉进行辨别是一个课题。因此，岛田打算对MCF橡胶检测到的电流进行快速傅里叶变换，通过分析其频率成分来区分5觉。虽然目前还不能完全分离，但“感觉就快实现了”（岛田）。（作者：根津祯、中道理，日经技术在线！供稿）
MCF橡胶传感器的灵敏度较高，估计还能实现可轻轻抚摸人的头部的机器人注2）。
注2）MCF除了传感器外，还可用于抛光材料和抗震用减震器。采用MCF的抛光机已经实现实用化。
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