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智能手机终于要拥有嗅觉功能了

已有 8223 次阅读 2014-12-14 17:11 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|关键词:只能手机,化学物质,大气,NFC| 大气, 化学物质, NFC, 只能手机

智能手机中有各种传感器,这并非一个新鲜的话题。在过去数年的发展中,智能手机除了基本的定位功能外,还可以根据机种的不同,获取周边环境中诸如紫外线、温度、湿度等信息。而且,智能手机内建的传感器,还可以正确测量出人体也难以察觉到的多元信息,正在扮演“第六感”的角色[1]。据相关资料预测,智能手机与平板电脑等移动装置的传感器全球市场规模在2018年将达65亿美元。苹果在2013年推出的iPhone 5S首度搭载指纹辨识系统,2014年更应用该系统推出移动付费服务Apple Pay,引领传感器热潮。现在,各种健康管理、环境相关传感器可望接棒带动传感器市场成长。随着可穿戴设备的开发,目前传感器技术能够监测的内容极其丰富,除了常见的摄像头、重力感应器、加速感应器、光线感应器之外,还能够监测眼球运动、体感运动、心率、体温、气压、声纹、指纹等等。种类繁多的传感器能够提供身份识别、健康监测、动作识别、环境识别等一系列基础数据采集功能,为设备智能化智能打造基础[2]。

另外,与此传感设备配套发展的,还有许多低功耗甚至无功耗的传输技术已经广泛应用在IT产品中,如蓝牙4.0、RFID、NFC等,也为更智能手机的分布式传感提供了可能的途径。所以,有人认为,智能化是对于用户独特需求的满足,而传感器作为数据采集的单元,是设备对用户需求理解的起点,也是电子设备走向智能化的开端[3]。

图1 智能手机安装了越来越多的传感器

面对智能手机如此的发展,作为一个生态学和环境科学工作者,我一直关注是否有更多针对环境监测的分布式手机传感设备问世,这也是众包测量的关键一步。在管理和保护环境,保证人类健康和提高生活质量中,便携式化学传感器显然是非常有必要的。例如,疾病的分散式照护(point-of-care)诊断传感器,可在发病或者发生事件的地点进行诊断、监控和治疗,能快速地获得检验结果并及时作出正确的处理。随著老年人口增加,健康照护需求日增,早期侦测、早期预防的个人化预防需求将这种技术推波助澜;在其他方面,爆炸物和化学武器的检测,食物的成熟和腐败指示,以及环境污染物的监测。通过无线射频通信,利用信息技术连接传感器是一种很有前途的方法,是一种高效的现场化学检测与分析技术。虽然射频技术最近已广泛应用于无线化学传感,但目前的方法还是有一些局限性,包括缺乏对特定化学物质的分析,而且昂贵、笨重,脆弱,操作复杂,依赖大量的数据处理和分析。

今天读到了一篇文章,通过射频通信的智能手机进行无线气体检测(Wireless gas detection with a smartphone via rf communication)[4],感觉我的这个想法离实现已经越来越近了,其重要的一步是让智能手机拥有嗅觉功能。还没有读文章全文,就看文章的关键词就特别吸引人。这些关键词是:RFID、NFC、sensor、nanomaterials、wireless。下面来简单介绍一下这篇文章。

对人类健康和安全来说,化学传感是非常重要的,但它并不能进行广泛实施,因为现有的传感器通常需要训练有素的人员进行操作和管理,而且价格昂贵,体积庞大,还需要大功率的供电。如果能利用基于智能手机的传感策略,采用具有化学响应性能的纳米材料集成到商业近场通信(near-field communication,NFC)标签的电路中,可以达到非直视性(Non-Line-of-Sight,NLOS)、便携、廉价的检测。到2014年,约有5亿台现代智能手机和移动设备安装了近场通信(NFC),这是面向便携式,无线技术,非直视性传感器监测化学气相物质的重要一步。

这项技术是利用具有小型外置电子标签的无线通讯进行非接触式监测。由Timothy Swager领导的麻省理工学院的一个研究小组,使用对某些化学物质敏感的纳米材料改造了这些外置电子标签的电路。当某种特定的气体存在时,电子标签会发生短路,智能手机无法读取标签内容。通过扫描各种对不同化学物质敏感的标签组合,这个团队目前可分辨的气体包括浓度低到百万分之几的氨、过氧化氢蒸汽和水蒸汽。这样的系统可以用来检测爆炸物或污染,以及其他的一些应用中。

许多商业智能手机和移动设备都配备了NFC,可与NFC标签进行无线通讯,这是一种简单的电谐振电路,包括塑料基板上的电感(L),电容(C)和电阻(R)等。这个研究中,所使用的智能手机三星Galaxy S4,就是与不需要电池的标签进行通讯,依靠频率为13.56 MHz的电感耦合驱动集成电路(IC)。电能由智能手机传输到的IC芯片中,以及其他的一些变量,是传输频率(f)、谐振频率(f0)、质量因子(Q)和电路效率(η)的函数。而这又是智能手机和NFC谐振电路元件的L(H),C(F)和R(Ω)的函数。将对化学物质响应的材料集成到商业NFC标签中,产生刺激响应变量电路元件,是否存在某些化学物质,可影响标签与智能手机之间的能量传输。由此产生的可编程的化学物质驱动的谐振器件(CARD,chemically actuated resonant device)可使非直视性智能手机的化学传感得以进行,其原理仅仅是是否破坏了它们之间的射频通信

图2 将NFC标签转变成CARD,就可使用智能手机对化学物质进行无线射频检测。具有NFC通讯的手机与NFC标签之间采用交变磁场(f=13.56 MHz)通过电感耦合同步对NFC供能,并通过信号调制传输数据。要将NFC标签转变成CARD,第一步是破坏电感电容电阻(LCR)线路,并重新采用对刺激发生反应的可变电路元件来编译线路,并用可靠的传感材料来进行绘制,这是第二步。


参考资料

[1] yetop、Touch ID与可穿戴设备的未来(http://tech.hexun.com/2013-11-07/159469429.html
[2] 提供紫外线到温度等第六感 手机传感器盛世来临(
http://ee.ofweek.com/2014-11/ART-8470-2800-28907225.html
[3] 传感器:智能的起点(
http://www.enet.com.cn/article/2013/1016/A20131016322954.shtml
[4] Proc. Natl Acad. Sci. USA,
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.1415403111 (2014)
pnas.1415403111.sm01.mov

PNAS-2014-Azzarelli-1415403111.pdf





http://blog.sciencenet.cn/blog-502444-850977.html

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