日本九州大学和东京大学科研团队合作，首次通过人工嗅觉传感器系统，对人呼吸中的化合物进行解析，进而实现验证个人身份的效果。他们利用 16 个通道化学电阻传感器阵列，结合机器学习技术制造出“人造鼻”，并成功实现了 97% 以上的平均准确度。此外，该研究还展示了传感器数量对准确性和再现性的影响。

 图丨嗅觉传感器效果图，在不久的将来，使用人工嗅觉传感器进行基于呼吸气味的个人身份验证可能会成为可能（来源：九州大学）

    近日，相关论文以《基于呼吸气味的个体认证通过人工嗅觉传感器系统和机器学习》（Breath odor-based individual authentication by an artificial olfactory sensor system and machine learning）为题发表在 Chemical Communications 上[1]。

智能手机解锁的关键在于，通过生物识别技术来确认人们身份的独特性。在以往的识别方式中，常规的途径是针对指纹、掌纹、声音和面部等进行识别。另外，还包括声学、手指静脉等不常见的识别方式。

“这些技术依赖于每个人的身体独特性，但它们并非万无一失。身体特征可能会被复制，甚至会因受伤而受损，”该论文第一作者、东京大学工程研究生院材料科学与工程系博士生柴亚努·吉拉尤帕特（Chaiyanut Jirayupat）对媒体表示，“最近，人类气味作为一种新的生物识别身份出现了，主要是使用你独特的化学成分来确认你是谁。”

图丨用于基于呼吸的生物特征认证的人工嗅觉传感器（来源：九州大学）

要想实现这样的效果，该团队首先想到了从人的皮肤中产生的化合物来进行身份信息的识别。然而，这种方法也并不稳妥。其矛盾点在于，机器检测身份信息必须满足一定程度的浓度才能达到“识别”，而皮肤并不能产生高浓度的挥发性化合物。

基于此，研究人员便萌生另一个想法：是否可借助人类呼吸进行生物识别呢？

“皮肤中挥发性化合物的浓度可低至十亿或万亿分之几，而从呼吸中呼出的化合物可高达百万分之几，”吉拉尤帕特继续说道，“事实上，人类的呼吸已经被用来识别一个人是否患有癌症、糖尿病，甚至是 COVID-19。”

图丨系统和嗅觉传感器。对象首先向收集袋中呼吸。然后将袋子连接到嗅觉传感器，该传感器分析个人呼吸中发现的化合物。基于化合物的浓度，机器学习系统识别个体（来源：九州大学） 

在确定这一全新的生物识别途径后，该团队首先对受试者的呼吸样本进行了综合分析，以判定可用于生物特征认证具体来源于哪些化合物。根据相关结果，该传感器可识别包括 28 种化合物在内的人类呼吸成分，用来进行身份的生物识别。

具体来说，该团队制造了“人造鼻”嗅觉传感系统，而嗅觉传感器阵列 16 个通道中，每一个单独的通道都能对特定范围的化合物进行识别。然后，再把传感器数据传输至机器学习系统，通过这种方式对每个呼吸样本中的化学成分进行解析。

 图丨基于呼吸气味感知的个体认证的图形工作流程（来源：Chemical Communications）

在相关试验中，该团队通过该系统对 6 位受试者的呼吸样本进行检测。结果显示，该系统不仅能识别个体，其平均准确率达到了 97.8%。该受试者群体是由不同年龄、性别和国籍的人组成，研究人员将样本量进一步扩大到 20 位受试者时，该准确率也保持在高水准，并未因样本量扩大而影响其准确性。

同一个人呼吸成分是否会受饮食因素干预，而使测试结果受到影响呢？正是考虑到这点，受试者在相关测试前 6 小时就开始保持禁食状态，以确保测试的准确性。

当然，如果该系统想要在未来大规模使用，还要解决更多的技术问题，比如让相关结果不再受饮食等因素影响，而是在任何状态下都可通过呼吸精准地识别到使用者的身份信息。

不过，该团队对解决该问题持乐观态度。该论文通讯作者、东京大学工学研究生院教授柳田武（Takeshi Yanagida）对媒体说道：“值得庆幸的是，我们目前的研究表明，添加更多传感器并收集更多数据可以克服这一障碍。”

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