給無人機裝上“電子鼻”：中國團隊突破低空大氣精準感知技術

科技日報記者 陳曦

在中國民航大學，一架搭載特殊“電子鼻”的無人機正在進行飛行測試。它不僅具備常規的視覺感知能力，更能即時“嗅”出大氣中百萬分之一濃度的一氧化碳變化，並精準繪製其三維濃度分佈圖。

這項突破性技術的核心，是陳達教授團隊研發的微型化機載氣體傳感模組。這個僅硬幣大小的裝置猶如無人機的“嗅覺神經”，以其為核心構建的“飛—感—算”一體化監測終端，實現了對大氣環境的智能感知。

該研究成果近日發表在傳感器領域國際期刊《美國化學會傳感器》上，標誌着我國在低空環境智能感知領域取得了重要進展。這項技術為無人機在環境監測、應急救援等領域的深度應用開闢了新的可能。

無人機感知“看得見”卻“嗅不到”

在低空經濟蓬勃發展的今天，無人機已廣泛應用於物流配送、電力巡檢、農業植保、測繪等諸多領域。然而，在環境監測和應急響應等對信息感知要求更高的場景中，傳統無人機卻面臨着“看得見”卻“嗅不到”的技術瓶頸。

“目前環境監測主要依靠地面固定監測站，這些站點雖然提供了基礎數據支撐，但其‘點狀’分佈模式存在明顯侷限。”陳達指出，由於站點佈局稀疏、數據更新慢，傳統監測手段難以捕捉污染物在複雜環境中的立體擴散規律，特別是在應對突發污染事件時，往往難以為精準決策提供及時有效的數據支持。

更令人擔憂的是應急響應中的“信息黑洞”。現場環境複雜且危險，救援人員難以靠近核心區域獲取關鍵的化學物質濃度和擴散範圍信息。無人機雖能抵近偵察，但若缺乏精準的化學傳感能力，就如同“盲人摸象”，無法為科學劃定警戒區、規劃疏散路線、評估救援風險提供有效數據支持。

與此同時，無人機自身的安全問題也不容忽視。作為主要動力源的鋰電池，其熱失控問題猶如懸在無人機飛行安全之上的“達摩克利斯之劍”。“傳統電池管理系統基於電壓和温度監測的預警方式存在明顯滯後性，當檢測到異常時往往為時已晚。”陳達認為，實現鋰電池熱失控的極早期預警，是保障無人機飛行安全、推動低空經濟規模化應用必須攻克的難題。

為了更好地釋放無人機在低空經濟中的潛能，使其在複雜應用場景中發揮更大價值，研發一種能夠融入無人機飛控平台，兼具高靈敏度、快速響應和微型化特點的智能氣體傳感系統，構建一個動態、立體、精準的低空感知網絡，已成為業界的迫切需求和技術競爭的制高點。

為無人機融入“嗅覺神經元”

與目前常見的“無人機+傳感器”機械掛載方案不同，團隊實現了從硬件到軟件的深度融合與智能協同。陳達教授指出：“這並非簡單的物理疊加，而是讓傳感器真正成為無人機感知系統的有機組成部分，如同為其嫁接上敏鋭的‘嗅覺神經元’。”

團隊突破了微型化機載高靈敏氣體傳感器件製備技術，成功研製出僅有硬幣大小的傳感模組。論文第一作者練美玲副教授介紹：“我們以納米複合材料為‘嗅覺’神經元，成功開發了高性能一氧化碳傳感單元。其檢測限低至ppm級別，可與大型地面分析儀器的精度相媲美；同時，氣體響應時間壓縮至秒級。”

該傳感模組創新性地實現了“一專多能”。它既能精準檢測大氣環境中的一氧化碳，服務於環保監測，又能預警無人機電池安全。陳達教授揭示了其原理：“通過深入研究鋰電池熱失控的化學過程，我們發現CO是電池內部電解液在早期分解階段產生的特徵氣體之一。模組能夠靈敏捕捉電池倉內極微量CO濃度異常，實現比傳統預警方式提前數十分鐘的極早期預警。”

技術突破的核心在於系統層面的深度整合。團隊開發了專門的軟件協議棧，兼容MAVLink、TTL等通信協議，實現了傳感模組與飛控系統的深度耦合。練美玲強調：“這種深度耦合使傳感數據能被飛控系統即時解析和調用，傳感模組真正成為飛控系統的有機組成部分。”

這一創新使系統具備了智能響應能力：當檢測到CO濃度異常時，飛控系統可自主規劃航線進行精細掃描；一旦電池觸發預警，系統將立即執行緊急預案。通過“飛—感—算”一體化設計，無人機從飛行平台升級為智能感知終端，實現了從數據採集到決策響應的閉環。

配備“電子鼻”可解鎖更多領域

目前，該技術已完成實驗室驗證和初步飛行測試，展現出優異的性能穩定性。研究團隊正在積極推進產業化進程，已與國內多家無人機系統集成商、智慧城市解決方案提供商以及環保、應急管理部門進行深度對接，為其在環保、應急等領域的深度應用提供了創新解決方案。

在智慧環保領域，無人機集羣可對城市進行常態化、網格化的立體巡航監測，繪製高分辨率的即時3D污染地圖，精準識別污染源頭。在化工園區等高風險區域，無人機可進行7×24小時不間斷巡檢，即時監測潛在的氣體泄漏點。

“在應急救援方面，事故發生後無人機可在黃金救援時間內迅速抵達現場，快速繪製出毒氣雲團的即時三維擴散圖，為救援力量進入、羣眾疏散提供精確指導。”陳達舉例説，在火災現場，無人機可穿透濃煙探測CO濃度，評估燃燒不充分區域和潛在風險，為消防員提供關鍵安全信息。

在城市精細化管理中，該技術可用於城市燃氣、熱力等地下管網的泄漏巡查，通過檢測地表逸散的微量特徵氣體快速定位泄漏點。在對下水道、儲罐等封閉空間作業前，可先派無人機進行氣體環境探測，確保作業人員安全。

團隊目前已啓動在國內某大型化工園區安全巡檢的試點應用，同時計劃將無人機鋰電池熱失控預警功能開發為標準化的獨立早期預警模組，為整個無人機行業提供安全解決方案。