弗吉尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员开发了一种由AI驱动的系统，该系统模仿人类的嗅觉，能够在实时环境中检测和追踪有毒气体。通过结合先进的神经网络和传感器网络，该系统能够迅速识别有害气体（如二氧化氮）的来源，这些气体对呼吸系统健康构成严重威胁。
根据世界卫生组织的数据，室外空气污染（包括二氧化氮）每年导致全球约420万人过早死亡，主要原因是哮喘和慢性阻塞性肺病等呼吸系统疾病。他们的研究成果最近发表在《科学进展》杂志上。
基于石墨烯的传感器模仿人类嗅觉
创新系统依赖于嵌入石墨烯表面的金属催化剂纳米岛。这种设备像一个人工鼻子，与目标有毒气体分子发生反应。当二氧化氮分子与石墨烯结合时，传感器的导电性发生变化，使系统能够极其敏感地检测到气体泄漏。
“金属催化剂纳米岛是沉积在石墨烯等表面上的微小金属颗粒簇，通过增加气体分子相互作用的表面积来增强化学反应，从而实现对有毒气体的精确检测。”电气与计算机工程系的研究科学家白永民（Yongmin Baek）说。
电气与计算机工程和材料科学工程副教授李奎相（Kyusang Lee）是该项目的主要研究人员之一，他解释道：“通过将AI与最先进的气体传感器集成，我们能够以前所未有的精度定位气体泄漏，即使在大型或复杂的环境中也是如此。人工嗅觉受体能够检测到气体浓度的微小变化，并将这些数据传输给近传感器计算系统，该系统使用机器学习算法预测泄漏源。”
神经网络优化传感器布局
系统的神经网络实时分析来自传感器的数据，基于优化的传感器布局确保系统的覆盖范围和效率。这种优化通过“信任区域贝叶斯优化算法”实现，这是一种机器学习技术，将复杂问题分解为较小的区域，以找到最高效的传感器位置。这确保了资源使用的减少，同时提供了更快、更准确的气体泄漏检测。
电气与计算机工程博士生裴秉俊（Byungjoon Bae）补充道：“我们的AI驱动系统有潜力通过不断监测空气质量，使工业环境、城市地区甚至住宅建筑更加安全。这是预防长期健康风险和保护环境的重要一步。”
题为《用于时空监测有毒气体的人工嗅觉受体网络》的文章发表在《科学进展》杂志上。研究团队包括白永民、裴秉俊、杨正勇、赵元俊、沈仁博、柳根沃、郑硕炫、许俊硕和李奎相，他们分别来自弗吉尼亚大学和加图大学。
这项研究得到了韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）工业战略技术开发计划（20014247和20026440）、韩国国家研究基金会（NRF）和美国空军科学研究办公室青年研究员计划（FA9550-23-1-0159）的支持，同时还得到了美国国家科学基金会（NSF ECCS-1942868和NSF ECCS-2332060）的支持。
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