JP6013521B2 - 化学物質を検出する装置 - Google Patents

Description

本発明は、センサーにより化学物質を検出する装置に関するものである。

特許文献１には、複数の電極を有する少なくとも１つのイオンチャネルの形状のイオンフィルタを有するイオン移動度分光計が記載されている。特許文献２には、サンプル分析のためのイオン移動度ベースのシステム、方法および装置が記載されている。

国際公開ＷＯ２００６／０１３３９６（日本国特表２００８−５０８６９３号公報） 国際公開ＷＯ２００５／０５２５４６（日本国特表２００７−５１３３４０号公報）

爆発物質、毒物、毒ガスなどの有害物質の有無など、一刻を争う事態に対応できることは重要である。

本発明の一態様は、サンプリングポイントにおける流体に含まれる不特定の化学物質に関連する化学物質関連情報をイオン移動度センサーまたは質量分析センサーの分析型センサーの第１タイプのセンサーにより取得する検出ユニットと、無線または有線により外部と通信する通信ユニットと、脅威の要因となる特定の化学物質を第１タイプのセンサーにより検出したときの特定パターンを含む脅威検出用ライブラリを格納したローカルメモリと、検出ユニットにより得られた化学物質関連情報と脅威検出用ライブラリに含まれるモニタリング用の特定パターンとを定常的に比較し、得られた化学物質関連情報とモニタリング用の特定パターンとが合致したときに合致情報を出力する照合処理を含み、さらに、得られた化学物質関連情報に含まれる化学成分の変化および検出された化学物質の濃度変化に基づき、匂いに関連するイベントが発生したことを判断し、イベントが発生したことおよびイベントの発生要因を出力する処理であって、通信ユニットを介して化学物質関連情報を外部に伝送し、化学物質関連情報から推定される化学物質および／または推定される化学物質が放出される要因を含むイベントの発生要因を取得することを含む出力する処理を含み、照合処理および出力する処理を時分割または並列に実行するプロセッサとを有する装置である。検出に一刻を争う、脅威の要因となる化学物質の種類はそれほど多いとは言えない。したがって、化学物質を検出するために用いられている第１タイプのセンサーの出力とダイレクトに比較できる特定パターンをアクセス時間の短い、たとえばキャッシュメモリなどのローカルメモリに格納しておくことにより、短時間で脅威が発生する可能性を判断できる。

第１タイプのセンサーの典型的なものは化学物質関連情報をスペクトル（波形データ）として出力する分析型（spectrometric type）のセンサーであり、特定パターンはスペクトルフィーチャ（波形特性、スペクトル特性、スペクトル・シグネチャ）を含む。分析型のセンサーの典型的なものはイオン移動度センサーおよび質量分析センサー（質量分析器）である。照合ユニットは、分析型のセンサーから得られたスペクトルを特定パターンに含まれるスペクトルフィーチャを用いて照合する。照合ユニットは得られたスペクトルからスペクトルフィーチャを抽出してもよいし、スペクトルフィーチャから照合用のスペクトルを合成してもよい。

この装置において、得られた化学物質関連情報の変化により、イベントの発生およびイベントの発生要因を出力するイベント出力ユニットをさらに有する場合は、照合ユニットはイベント出力ユニットと時分割または並列に動作する。脅威にならないイベントの発生の判断はある程度の時間を要してもよく、さらにそのようなイベントの発生要因は膨大である。したがって、そのようなイベントの発生要因を判断（推定）する処理を、ごく限られた脅威の要因の発見とは異なる処理として定義し、時分割または並列にそれらの処理を行うことにより、定常的に脅威の要因の有無の可能性を短時間で判断できる。

この装置は、無線または有線により外部と通信する通信ユニットをさらに有し、イベント出力ユニットは、通信ユニットを介して、化学物質関連情報を含むイベント発生情報を外部に伝送し、イベントの発生要因を取得してもよい。通信ユニットにより外部とコミュニケーションしている間も、照合ユニットにより、定常的に脅威の要因の有無の可能性を短時間で判断できる。

この装置は、通信ユニットを介してローカルメモリのライブラリに格納されている特定パターンを自動的に更新する自動更新ユニットをさらに有することが望ましい。より発生する可能性の高い脅威の要因に関係する特定パターンをライブラリに格納することにより、いっそう確実に脅威の要因の有無の可能性を判断できる。

自動更新ユニットは、イベント付属情報に基づき特定パターンを更新できる。

また、この装置は、サンプリングポイントにおける流体を保存カプセルに封入するサンプル保存ユニットをさらに有することが望ましい。イベントの発生要因が判明しないときなど、サンプリングポイントにおける流体を保存し、他の分析装置で流体に含まれる化学物質を解析し、その化学物質に対する第１タイプのセンサーの特定パターンをデータベースに登録することにより、脅威の要因や、イベントの発生要因の知識データベースを増加できる。

本発明の異なる態様の１つは、サンプリングポイントにおける流体に含まれる化学物質に関連する化学物質関連情報を第１タイプのセンサーにより検出する検出ユニットを有する装置を制御する方法であって、以下のステップを含む。
１．特定の化学物質を第１タイプのセンサーにより検出したときの特定パターンを含むライブラリが装置のローカルメモリに格納されており、検出ユニットにより得られた化学物質関連情報とライブラリに含まれるモニタリング用の特定パターンとを定常的に比較すること。
２．得られた化学物質関連情報とモニタリング用の特定パターンとが合致したときに合致情報を出力すること。

この方法は、さらに以下のステップを有する。
３．得られた化学物質関連情報の変化により、イベントの発生およびイベントの発生要因を出力すること。その場合、ステップ２の合致情報を出力するステップは、ステップ３の発生要因を出力するステップと時分割または並列に実行される。ステップ３の発生要因を出力するステップは、無線または有線により外部と通信する通信ユニットを介して、得られた化学物質関連情報を含むイベント発生情報を外部に伝送し、イベントの発生要因を取得することを含んでもよい。また、通信ユニットを介してローカルメモリのライブラリに格納されている特定パターンを自動的に更新してもよい。特定パターンは、イベントの発生要因に基づき更新してもよく、装置の周囲の画像および／または音を含むイベント付属情報に基づき更新してもよい。

本発明のさらに異なる態様の１つは、サンプリングポイントにおける流体に含まれる化学物質に関連する化学物質関連情報を第１タイプのセンサーにより検出する検出ユニットと、ＣＰＵと、メモリとを有する装置において実行されるプログラム（プログラム製品）であって、上記の制御を実行するための命令を含む。このプログラム（プログラム製品）は記録媒体（光ディスクなど）に記録して提供してもよく、インターネットなどのコンピュータネットワークを介して提供してもよい。

ロボット犬の概略構成を示すブロック図。 嗅覚システムの概略構成を示すブロック図。 嗅覚システムの制御の概要を示すフローチャート。

図１に嗅覚を備えた犬型のロボット（ロボット犬）の概略構成を示している。このロボット犬１は、ＩＭＳ（Ion Mobility Spectrometry, イオン移動度分析）タイプのセンサーをベースにした嗅覚機能を有し、ＩＭＳセンサーの出力と化学物質データベースとを参照し、さらに、複数のロボット犬同士でコミュニケーションを取りながら、目標化学物質の特定や分析、移動体（犯人）の追跡や追い込みが可能なものである。なお、嗅覚は特定の化学物質の分子を受容体で受け取ることで生じる感覚の１つであると定義されている。したがって、大気（外気）などに含まれる化学物質を感知することを以下では嗅覚あるいは匂い（臭い）として説明するが、以下のシステム（装置、ロボット）においては、動物にとって匂いとして認識されない化学物質を検出することも可能である。

におい（匂い、臭い）の要因は、周囲の空気に含まれる化合物、ガスなどの化学物質である。本明細書において化学物質とは、化合物、分子および元素を含み、成分あるいは組成物に限らず生成物も含む。化学物質は有機物および無機物を含む。嗅覚で感じられる化学物質は、官能基を備えたものが多いといわれている。官能基のグループの１つは炭化水素であり、たとえば、アルカン（鎖式飽和炭化水素）を挙げることができる。このグループには化学物質としてエタン、メタン、プロパン、ブタンなどが含まれる。官能基は、炭化水素の基に限らず、窒素を含む官能基としてはアミノ基などを挙げることができ、酸素を含む官能基にはアルコール基およびケトン基などを挙げることができる。これらは化学物質および官能基の一例に過ぎない。官能基の分子の中の原子は、同じであるか同様の化学反応を受けて、共通の匂いとしての特性を示すと考えられる。揮発性有機物と有機化合物は、匂いとして嗅覚を刺激する典型的なものである。化学物質は一酸化炭素や二酸化炭素などのガス（気体そのもの）であってよい。化学物質は炭素、アルミニウム、窒素などの無機物であってもよい。

コンパクトで携帯が可能で、においの要因を検出できる分析装置の１つは、上述したイオン移動度（イオン・モビリティ）センサーであり、ＭＥＭＳを用いたチップタイプのデバイスが提供されている。イオン移動度センサー（イオン移動度分光計、Ion Mobility Spectrometry）は、空気中の物質（分子）をイオン化し、イオン化された分子の移動度の差に基づくスペクトル（出力パターン、空気質パターン）を出力するセンサーであり、非対称電界イオン移動度スペクトロメータ（Field Asymmetric waveform Ion Mobility Spectrometry、ＦＡＩＭＳ）または微分型電気移動度スペクトロメータ（Differential Ion Mobility Spectrometry、ＤＩＭＳ）が知られている。

この種のスペクトロメータ型のセンサー、以降においては総称してＩＭＳセンサーは、高圧−低圧に変化する非対称電界にイオン化した分子流を入力し、イオンの電界移動度に基づいてそれらをフィルタリングした結果を出力する。市販されているコンパクトなＩＭＳセンサーとしては、ＳＩＯＮＥＸ（ザイオネクス）社のｍｉｃｒｏＤＭｘ、ＯＷＬＳＯＴＮＥ（オウルストーン）社のＦＡＩＭＳデバイスを挙げることができる。

ＩＭＳセンサーでは、流体（典型的には空気、窒素ガスなどのキャリアガス）に含まれる化学物質に関連した情報として、Ｖｄ電圧（ＤｉｓｐｅｒｓｉｏｎＶｏｌｔａｇｅ、電界電圧（Ｖｒｆ）、交流）とＶｃ電圧（Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ Ｖｏｌｔａｇｅ、補償電圧、直流）の２つの変量に応じて変化するイオン電流を検出することが可能である。したがって、それらを含む３次元のデータ（波形データ、スペクトル）、３次元のパラメータのいずれかのパラメータを固定した２次元スペクトルが化学物質に関連した情報として得られる。また、スペクトルの要素を示すスペクトルフィーチャ（スペクトル・シグネチャ、スペクトル特性、特徴）を化学物質に関連した情報として取得してもよい。スペクトルフィーチャには、スペクトル・ピーク振幅、スペクトル・ピーク幅およびスペクトル・ピーク勾配、スペクトル・ピーク間隔、スペクトル・ピークの数、処理条件の変化によるスペクトル・ピークの相対的位置シフト、スペクトル不連続点、Ｖｒｆ対Ｖｃｏｍｐ特性などが含まれる。

化学物質に関連する情報を得る検出ユニット（センサー）は、質量分析型のセンサーであってもよく、流体に含まれる化学物質に関連した情報としてＭ／Ｚ（質量対電荷）が得られる。

イオン移動度などを利用した分析型のセンサーは、特定の成分（化学物質）に敏感なセンサーと比較すると汎用性が高く、分析可能な範囲内では、ほとんどすべての成分の有無および強度（濃度）を同じ程度の精度で検出できる。センサーにより検出された化学成分（化学物質）の情報には、化学物質（化合物、分子および元素の少なくともいずれかを含む）の強度変化（濃度変化、存在率変化およびその他のセンサーにより感知される変化・変量（intensity variations）を含む）が含まれる。

化学物質に関連した情報を取得するセンサーとしては、さらに、ＩＥＥＥ１４５１に準拠したケミカルセンサー、水晶センサー（QCM、Quartz Crystal Microbalance）、電気化学的なセンサー、ＳＡＷ（Surface Acoustic Wave）デバイス、光センサー、ガスクロマトグラフィー、液クロマトグラフィー、ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）センサーを含めた多種多様なセンサーを挙げることができる。

したがって、化学物質を検出するためのセンサーのタイプにより、センサーから出力される化学物質に関連する情報（化学物質関連情報）は異なり、同じ化学物質に対して異なるタイプの化学物質関連情報が出力されることが多い。これらの異なるタイプの化学物質関連情報を統一的に取り扱うことは重要であり、たとえば、化学物質を示す空間にタイプの異なる情報をマッピングすることも考えられる。しかしながら、タイプの異なる化学物質関連情報を統一的に処理するためにはある程度の処理時間が必要となる。

この明細書において、異なるタイプのセンサーにより得られたセンサー固有の化学物質関連情報は、センサータイプの名称を付けて表わす。たとえば、ＩＭＳセンサーにより得られた化学物質関連情報はＩＭＳデータと呼ぶことにする。また、センサー固有の化学物質関連情報を、化学物質を示す共通の空間にマッピングするなどの処理を施し、統一的あるいは汎用的に取り扱えるようにした化学物質関連情報は汎用データと呼ぶことにする。汎用データの１つは、本願の出願人が提案している、ＦＣＷＳデータである。このデータは、センサー固有の化学物質関連情報を、ＦＣＷＳ（Functionally Classification Wave Shaping、機能的（官能基による）分類による波形成形）技術により、化学物質に特徴付けられた空間（化学物質空間）を周波数空間にマップし（割り当てし）、化学物質の存在を示す強度情報を周波数領域の強度情報に変換したものである。

このロボット犬１は、大きく分けて頭部２、首部３、胴部４、足部５、臀部６、および尻尾７を有する。ロボット犬１は、頭部２、首部３、胴部４、臀部６を通り尻尾７に至るようにデータおよび電力を配信する内部バス９を備えており、ロボット犬１に内蔵されている種々の機能（機能ユニット）同士が通信できるようにしている。また、胴部４にバッテリ８が収納されており、ロボット犬１は自立して自由に移動できる。さらに、ロボット犬１は、種々の外部通信ユニットを備えており、ロボット犬同士、ホスト装置、さらに、コンピュータネットワークによりアクセス可能な種々の資源と通信できるようになっている。

なお、以下では各種の機能を備えたユニットをロボット犬１に収納していることを説明しているが、収納場所は必ずしも以下の説明に限定されるものではない。また、これらの機能（機能ユニット）は、典型的には、１または複数のＣＰＵおよびメモリを含むプログラマブルなハードウェア資源とソフトウェアとにより実現される。プログラマブルなハードウェア資源は、専用のＡＳＩＣなどのチップを含んでいてよく、回路を再構成可能なチップを含んでいてもよい。さらに、以下では、移動可能なプログラマブルな機械装置であるロボットに本発明に係る機能を実装した例を示しているが、自律的な移動性を必要としないアプリケーションにおいては、ＣＰＵ、メモリなどのハードウェア資源を有するコンピュータ、たとえば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、携帯電話などの端末を用いて以下に説明する機能を実現することも可能である。

まず、このロボット犬１は、検出ユニット１００、イベント出力ユニット３０および脅威監視ユニット４０を含む嗅覚システム３００を備えている。検出ユニット１００は、複数のサンプリングポイントにおける流体（本例では外気１９）に含まれる化学物質に関連する化学物質関連を検出する。本例では検出ユニット１００はＩＭＳセンサーを含み、以降ではＩＭＳユニットと称することがある。イベント出力ユニット３０は、それぞれのサンプリングポイントで得られた化学物質関連情報の変化により、イベントの発生および発生要因を判断（推定）し出力する。脅威監視ユニット４０は、イベント出力ユニット３０と並列に動作する。脅威となる化学物質が発見されたり、イベントの発生要因が脅威となるものであれば、アラーム発生ユニット５９により、それを視覚および聴覚の少なくともいずれかにより認識するアラーム情報、たとえば、音や、光による警報により出力してもよい。

嗅覚システム３００において取り扱われる化学物質関連情報は、化学物質の存在により変化（変動）する情報である。検出ユニット１００においては、ＩＭＳデータ１１５として上述したように、スペクトルおよび／またはスペクトルフィーチャを含む情報を出力する。このロボット犬１では、頭部２の正面１０の鼻１１の左右の孔１２Ｌおよび１２Ｒがサンプリング孔となっており、鼻１１の後方の検出ユニット１００に収納されている。

ロボット犬１のその他の機能の概略を説明すると、まず、ロボット犬１は、足部５を動かすことにより自在な方向に移動することができる移動ユニット５００を含み、中央制御ユニット（ＣＣＵ）５５によりイベント出力ユニット３０から得られたイベント発生方向に向けてロボット犬１を移動させることができる。

また、ロボット犬１は、イベントの発生方向の画像、音、当該ロボットの場所、発生方向の方位、流体の移動方向、当該ロボットの周囲の環境データの少なくともいずれかを含むイベント付属情報６９を取得する付属情報取得ユニット６０を有する。このロボット犬１は、頭部２の左右の眼の位置に左右の画像を取得する画像取得ユニット６１Ｌおよび６１Ｒを有する。画像取得ユニット６１Ｌおよび６１Ｒは、可視光領域の立体画像だけでなく、赤外線領域の立体画像を得ることができ、暗視能力を備えている。また、画像取得ユニット６１Ｌおよび６１Ｒは、距離測定機能を含む他の機能を備えていてもよい。また、ロボット犬１は、頭部２の左右の耳１３の位置に左右の音（ステレオ音）を取得するマイクロフォン６２Ｌおよび６２Ｒを有する。ロボット犬１は頭部２を首部３に設けたアクチュエータ１５により胴部４に対して左右上下に動かすことができる。したがって、頭部２をイベント発生方向に向けることにより、イベント発生方向の画像および音を得ることができる。

さらに、ロボット犬１は、ＧＰＳユニット６３を含み、ロボット犬１の地球上の位置をイベント付属情報６９に含めることができる。また、ロボット犬１は、風向き、温度および湿度を含む環境測定ユニット６４を含み、それらの情報をイベント付属情報６９に含めることができる。

ロボット犬１は、イベントの発生を含むイベント情報を外部に伝送する複数種類の通信ユニット２００、２０１、２１０をさらに有する。まず、ロボット犬１は、尻尾７がＦＭ、ＡＭの周波数帯を用いたＲＦ通信ユニット２００となっている。また、左右の耳１３が、大量情報を送受信するためのＭＩＭＯタイプの通信ユニット２０１となっている。さらに、鼻１１が指向性通信インターフェイス２１１となっており、鼻１１の後ろ側に指向性通信ユニット２１０が収納されている。指向性通信インターフェイス２１１は、レーザー通信用の半導体レーザーと、可視光通信用のＬＥＤと、受光ユニットと、超音波通信用の超音波発生装置と、マイクロフォンとを含む。首部３のアクチュエータ１５を動かすことにより指向性通信インターフェイス２１１を所望の方向に向けて通信範囲を限定することができ、通信精度を向上しやすい。また交換する情報を秘匿しやすい。

これらの通信ユニット２００、２０１および２１０を介してイントラネットまたはインターネットといったコンピュータネットワークにアクセスすることも可能である。したがって、ロボット犬１は、コンピュータネットワーク上にオープンされている様々な資源を利用できる。たとえば、ＩＭＳデータ１１５を、コンピュータネットワークを介して要因判別サーバーに送り、外部の資源を用いてイベントの発生要因を得ることができる。通信ユニット２００、２０１および２１０により発生要因の推定のために外部のリソースを利用できるので、発生要因の推測精度を向上できる。

また、これらの通信ユニット２００、２０１および２１０を使って、ロボット犬１は、他のロボット犬と情報交換し、協調してイベントの発生元を特定したり、イベントの発生元が脅威の場合は、その脅威に立ち向かうことができる。複数のロボット犬１とイベント発生方向の情報を共有することによりイベントの発生元を精度よく特定できる。また、イベントの発生元が移動する場合には、その移動を追跡したり、発生元を包囲したりすることができる。

ロボット犬１は、所定の匂いの発生元となる化学物質を放出する匂い出力ユニット４００をさらに有する。移動中に適当な目印となる場所に、ロボット犬１を識別できる匂いを付けることにより、同様の機能を備えたロボット犬１に自己を追跡させることができる。人間が認識できない程度の匂いや、自然界の匂いと殆ど判別できないような匂いを用いて、ロボット犬１の移動経路などを間接的に他のロボット犬１に伝達できる。

図２は嗅覚システム３００の概略構成を示すブロック図である。嗅覚システム３００は、サンプリングポイントにおける外気１９に含まれる化学物質に関連する化学物質関連情報を第１タイプのセンサー、本例ではＩＭＳセンサー１１０により取得する検出ユニット１００と、特定の化学物質をＩＭＳセンサー１１０により検出したときの特定パターン４８を含むライブラリ４９を格納したローカルメモリ４１と、検出ユニット１００により得られた化学物質関連情報（ＩＭＳデータ）１１５とライブラリ４１に含まれるモニタリング用の特定パターン４８とを定常的に比較する脅威監視ユニット４０とを含む。脅威監視ユニット４０は、得られたＩＭＳデータ１１５とモニタリング用の特定パターン４８とが合致したときに合致情報を出力する照合ユニット４２を含む。

特定パターン４８は、ＩＭＳデータ１１５に含まれるＩＭＳセンサー１１０の出力スペクトルの要素を示すスペクトルフィーチャ（スペクトル・シグネチャ、スペクトル特性、特徴）を含む。スペクトルフィーチャには、スペクトル・ピーク振幅、スペクトル・ピーク幅およびスペクトル・ピーク勾配、スペクトル・ピーク間隔、スペクトル・ピークの数、処理条件の変化によるスペクトル・ピークの相対的位置シフト、スペクトル不連続点、Ｖｒｆ対Ｖｃｏｍｐ特性などが含まれ、これらに限定されるものではない。

照合ユニット４２は、ＩＭＳデータ１１５に含まれる出力スペクトルから特定パターン４８のスペクトルフィーチャに対応する幾つかのパラメータを抽出し、ライブラリ４９のスペクトルフィーチャと照合してもよい。また、照合ユニット４２は、ライブラリ４９のスペクトルフィーチャから照合用のスペクトルを合成し、パターンマッチングなどの技術用いてＩＭＳデータ１１５と特定パターン４８とを照合してもよい。

嗅覚システム３００は、さらに、得られたＩＭＳデータ（化学物質関連情報）１１５の変化により、イベントの発生およびイベントの発生要因を出力するイベント出力ユニット３０を有し、照合ユニット４２は、イベント出力ユニット３０と時分割または並列に動作する。嗅覚システム３００は、さらに、通信ユニット２００（他の通信ユニット２０１または２１０を用いてもよいが、以降においては、通信ユニット２００を代表して説明する）を介してローカルメモリ４１のライブラリ４９に格納されている特定パターン４８を自動的に更新する自動更新ユニット４５をさらに有する。また、嗅覚システム３００は、サンプリングポイントから取得された外気１９を保存カプセル１５９に封入するサンプル保存ユニット５０を有する。

まず、検出ユニット１００は、左右の孔１２Ｌおよび１２Ｒに共通のＩＭＳセンサー１１０を含む。この検出ユニット１００は、複数のサンプリングポイント１２Ｒおよび１２Ｌに共通のＩＭＳセンサー１１０と、複数のサンプリングポイント１２Ｒおよび１２ＬからＩＭＳセンサー１１０に対し流体（本例では空気（外気））１９を時分割で供給する供給ユニット１２０と、外気１９をサンプリングカプセル１５９に封入して保存できるサンプル保存ユニット５０とを含む。左右の孔１２Ｌおよび１２ＲのそれぞれにＩＭＳセンサー１１０を設置してもよい。

ＩＭＳセンサー１１０は、吸引された外気１９に含まれる化学物質を放射線、光、電場などを用いてイオン化するイオン化ユニット１１１と、イオン化された化学物質の移動量を制御する電界制御フィルター１１２と、イオン化された化学物質の移動量から外気１９に含まれる化学物質に関連する情報としてＩＭＳデータ１１５を出力するユニット１１３とを含む。

供給ユニット１２０は、サンプリングポイントである左右の孔１２Ｌおよび１２Ｒから外気１９を吸い込み排出口１２９から排出するための吸引ファン（吸引ポンプ）１２８と、それぞれの孔１２Ｌおよび１２ＲからＩＭＳセンサー１１０に外気１９を時分割で導くための管路１３０Ｌおよび１３０Ｒとを含む。左右の管路１３０Ｌおよび１３０Ｒは共通の構成であり、それぞれ吸引チェンバー１２１と、可動コネクター１２２と、ＩＭＳセンサー１１０に外気１９を供給する供給管１２３と、供給管１２３をバイパスするバイパス管１２４と、ＩＭＳセンサー１１０から排気するための排気管１２５とを含む。可動コネクター１２２は、サンプリングポイントである鼻の孔１２Ｌおよび１２Ｒを±１５度（これに限定されないが）程度左右上下に向きを変えられるようにするためのものである。したがって、首部３を動かさなくてもサンプリングポイント１２Ｌおよび１２Ｒの向きを変えることができる。

左右の孔１２Ｌおよび１２Ｒにはシャットオフダンパー１２６が設けられており検出ユニット１００を外気１９に対して遮断できるようになっている。供給管１２３、バイパス管１２４および排気管１２５には、それぞれを分離できるようにダンパー１２７ａ〜１２７ｄが設けられている。検出ユニット１００は、さらに、これらのダンパー１２６、１２７ａ〜１２７ｄ、ＩＭＳセンサー１１０を制御する制御ユニット１３５を含む。

たとえば、左側の孔１２Ｌから外気１９を吸い込んで分析する場合は右側の管路１３０Ｒのダンパー１２７ａ〜１２７ｄを閉じ、左側の管路１３０Ｌのダンパー１２７ａ〜１２７ｄを開いてラインをパージする。次に、右側の管路１３０Ｒのダンパー１２７ａ〜１２７ｄを閉じ、ＩＭＳセンサー１１０により左側の孔１２Ｌから吸い込まれた外気１９に含まれている化学物質を検出する。ＩＭＳデータ１１５は、イベント出力ユニット３０および脅威監視ユニット４０に供給される。

イベント出力ユニット３０および脅威監視ユニット４０において、イベントおよび脅威が検出されなければ、上記と同様に右側の孔１２Ｒから外気１９を吸い込んで分析する。

イベント出力ユニット３０でイベントが検出されたにもかかわらず、イベント要因が推測できない場合は、外気１９に含まれている化学物質は未確認またはＩＭＳセンサー１１０において分析実績のない化学物質である可能性がある。したがって、制御ユニット１３５は、右側の孔１２Ｒの分析に移行する前に、バイパス管１２４とサンプル保存ユニット５０とを遮断していたダンパー１５５を開き、バイパス管１２４に蓄積されていた外気１９をサンプル保存ユニット５０によりサンプル保存カプセル１５９に封入する。そして、カプセル搬出ルート１６２を通してストッカ１６０に貯める。ストッカ１６０にストックされたサンプル保存カプセル１５９に封入された外気１９を、後に、同型のＩＭＳセンサー１１０と、高精度の適当なタイプの質量分析器などとを用いて解析し化学物質のデータベースに追加する。このようなプロセスを実行することにより、サンプリングした時点ではロボット搭載のＩＭＳセンサー１１０では解析できなかった化学物質を、後に解析可能にすることができる。

サンプル保存ユニット５０は、上記のように自動的にサンプルをカプセル１５９に保存してもよく、ユーザーからの指示（遠隔指示）によりサンプルをカプセル１５９に保存するようにしてもよい。たとえば、検出ユニット１００の機能を定期的に確認したり、ロボット犬１が置かれた環境を定期的にサンプリングして履歴として保存したりすることができる。

イベント出力ユニット３０は、それぞれのサンプリングポイント１２Ｌおよび１２Ｒでサンプリングされた外気１９のＩＭＳデータ１１５の変化によりイベントの発生を判断するイベント監視ユニット３１と、要因推定ユニット３２とを含む。化学物質関連情報であるＩＭＳデータ１１５の変化は、サンプリングポイント１２Ｌおよび１２Ｒにおける外気１９に含まれる化学物質の変化および／または化学物質の濃度変化の少なくともいずれかを示唆する。イベント監視ユニット３１は、前回のサンプリングの際のＩＭＳデータ１１５と、今回のサンプリングの際のＩＭＳデータ１１５とを比較し、その差分が、イベント監視ユニット３１に予め設定されているしきい値を超えるとイベントが発生したと判断する。

この場合のイベントは、外気１９に新たな化学物質が放出されたり、外気１９に大量の化学物質が放出されたりすることであり、様々なものが含まれる。たとえば、匂いのあるものを置いたり、匂いが付随するものが現れたり、匂いが付随する事件を挙げることができる。匂い（臭い）は、人間が匂いとして感じられるものに限定されず、ＩＭＳセンサー１１０により検出可能な濃度の化学物質が外気１９に含まれるものであればよい。匂いが付随するものには、汚染物質、爆薬、麻薬などの危険物、人間などの生物も含まれる。また、匂いが付随する事件には、発砲事件、火災なども含まれる。

さらに、イベント出力ユニット３０は、ロボット犬１に対するイベントの発生方向を判断する。イベント出力ユニット３０は、ステレオタイプの物質検出情報を取得することによりイベントの発生方向を判断できる。複数のサンプリングポイントにおいて検出される化学物質の時間差および／または濃度差と複数のサンプリングポイントの３次元的な位置関係によりイベントの発生方向を判断（推定）できる。このロボット犬１においては、鼻１１の左右の孔１２Ｌおよび１２Ｒをサンプリングポイントにしているが、さらに離れた位置にサンプリングポイントを設けることも可能である。たとえば、耳１３の孔をサンプリングポイントにしたり、加えることにより、上下方向のイベントの発生方向の精度が向上する。

物質を検出するためのサンプリングポイントを設ける位置は頭部２に限定されず、他の場所、たとえば、胴部４に設けてもよく、臀部６に設けてもよい。また、ロボット犬１に設ける物質検出ユニット１００は１つに限定されず、頭部２、胴部４および臀部６にそれぞれ設けてもよい。

要因推定ユニット３２は、ＩＭＳデータ１１５に対応する種々のパターンを格納したデータベースを有し、パターンマッチングなどの解析技術を用いてＩＭＳデータ１１５を解析し、ＩＭＳデータ１１５あるいはその変化の要因を推定する。また、要因推定ユニット３２は、通信ユニット２００を介してＩＭＳデータ１１５を外部の資源、たとえば解析サーバーに送り、イベントの発生要因を得るものであってもよい。ロボット犬１は、イベントの発生元に近づくこと可能であり、より濃度の高い化学物質に対応するＩＭＳデータ１１５を取得できる。したがって、イベントの発生要因の推定精度を向上させることができる。

さらに、要因推定ユニット３２は、付属情報取得ユニット６０が取得可能なイベント方向の画像、音などのイベント付属情報６９を用いてイベント要因の推定精度を向上する。画像、音などのイベント付属情報６９を用いてＩＭＳデータ１１５の検索対象となるパターンの検索範囲を限定し、イベント要因を推定するための処理時間を短縮することも可能である。

脅威監視ユニット４０はイベント出力ユニット３０と並列に動作する。イベント出力ユニット３０としての機能と、脅威監視ユニット４０としての機能が共通のプロセッサ（ＣＰＵ）により実現される場合は、共通のプロセッサを時分割で使用してもよい。また、ハードウェアを再構成可能なチップにイベント出力ユニット３０および脅威監視ユニット４０を実装する場合は、リソースが十分であれば並列に動作するように実装でき、リソースが不十分であれば時分割するように実装できる。

脅威監視ユニット４０は、探索対象の化学物質を含む要因がＩＭＳデータ１１５と直に照合できる情報、または照合が容易な複数の特徴的なパラメータ（スペクトル・フィーチャ）に変換（逆変換）された特定パターン４８を含むライブラリ４９が格納されたローカルメモリ４１と、特定パターン４８とＩＭＳデータ１１５とを定常的にパターンマッチングなどの解析技術により照合する照合ユニット４２とを含む。ＩＭＳデータ１１５と直に照合できる情報の典型的なものは、探索対象の化学物質、あるいは探索対象自体から得られる匂い（臭い）をＩＭＳセンサー１１０により検出したデータ（ＩＭＳデータ）である。照合ユニット４２は、特定パターン４８とＩＭＳデータ１１５とが一致したとき、あるいはＩＭＳデータ１１５に特定パターン４８が含まれると判断したときに合致情報４４を出力し、アラームを出力するなどの対応措置がとれるようにする。

常時検索用のライブラリ４９に特定パターン４８を格納して定常的に探索（モニタリング）する対象の代表的なものは、人間に脅威となる有毒物質、爆薬、兵器、取引が禁止されている麻薬などの薬物、追跡対象となる犯罪者、行方不明者などである。それら探索対象に特有の匂いをＩＭＳセンサー１１０が感知したときに出力されるＩＭＳデータ１１５をローカルメモリ４１に格納しておくことにより、ロボット犬１は、それらの探索対象を短時間で、いっそう効率よく発見できる。

検出が一刻を争われる、脅威の要因となる化学物質の種類はそれほど多くない。また、ロボット犬１が対峙する可能性がある脅威の要因は、ロボット犬１の出動目的、場所などにより絞りこむことも可能である。一方、検出が一刻を争う場合、化学物質を検出するセンサーのタイプ（本例においてはＩＭＳタイプのセンサー１１０）により異なる出力を汎用的なデータベースと比較するための処理時間が致命的になる可能性がある。

この嗅覚システム３００においては、化学物質を検出するために用いられているＩＭＳセンサー１１０の出力（ＩＭＳデータ）１１５とダイレクトに、または特徴点の抽出だけで比較できる特定パターン４８を格納したライブラリ４９をアクセス時間の短い、たとえばキャッシュメモリなどのローカルメモリ４１に格納している。したがって、照合ユニット４２は、ライブラリ４９を参照することにより、短時間で脅威が発生する可能性を判断できる。また、ライブラリ４９に格納する特定パターン４８の数を制限することにより、ＩＭＳデータ１１５とより比較しやすいデータ形式で特定パターン４８をライブラリ４９に格納できる。

たとえば、非圧縮された特定パターン４８をライブラリ４９に用意することにより、伸長に要する時間を省くことができる。さらに、照合ユニット４２の処理に要する時間およびリソースを低減できるので、他の処理、たとえば、要因推定ユニット３２などとの並列処理または時分割処理も容易になる。したがって、脅威監視ユニット４０により、定常的に脅威の要因の有無の可能性を短時間で判断できる。

自動更新ユニット４５は、常時モニタ用のライブラリ４９に格納されている特定パターン４８を自動的に入れ替える。自動更新ユニット４５は、イベント出力ユニット３０において得られたイベントの発生要因に基づき、ライブラリ４９の特定パターン４８を更新することができる。また、自動更新ユニット４５は、イベント発生要因とともに、あるいは別に、イベント付属情報６９に含まれる当該装置の周囲の画像および／または音、さらにはイベント発生方向の画像や音などにより状況を判断し、ライブラリ４９の特定パターン４８を更新できる。イベント付属情報を取得するユニットをさらに有する場合は、自動更新ユニット４５は、イベント付属情報に基づき特定パターン４８を更新できる。

ライブラリ４９に格納されている特定パターン４８をロボット犬１の対面する状況に基づき更新することにより、脅威をいっそう確実に検出できる。また、ライブラリ４９に格納されている特定パターン４８を自動更新することにより、ライブラリ４９に格納する特定パターン４８の量をある程度制限できる。したがって、脅威検索に要する時間をさらに短縮できる。

たとえば、特定パターン４８に含まれる１つの化学物質が認識された場合、その化学物質と化学反応を起こし危険となる他の化学物質や、反応エネルギーや熱量が非常に大きく危険になる要素などを特定パターン４８に含むように自動的に特定パターン４８を更新できる。特定パターン４８に含まれる１つの化学物質が認識（照合）された場合、その化学物質の存在比率が大きくなると危険な化学反応が発生する場合、その化学物質の濃度を頻繁に検証するように、特定パターン４８を更新することも可能である。

図３に、嗅覚システム３００の典型的な制御をフローチャートにより示している。この制御はプログラム（プログラム製品）として、記録媒体に記録したり、コンピュータネットワークを介して提供することが可能である。

ステップ７０１において、検出ユニット１００のＩＭＳセンサー１１０が複数のサンプリングポイントでサンプリングし、ＩＭＳデータ１１５を出力する。それと前後または並行して、ステップ７０２において、付属情報取得ユニット６０が付属情報６９を取得する。

ステップ７０３において、サンプリングにより得られたＩＭＳデータ１１５と、ローカルメモリ４１のライブラリ４９に含まれるモニタリング用の特定パターン４８とを脅威監視ユニット４０が定常的に比較・照合する。ステップ７０４において、ＩＭＳデータ１１５とモニタリング用の特定パターン４８とが合致すると、ステップ７０５において合致情報４４を出力する。ステップ７０５においては、脅威が発見されたので、通常アラーム出力に繋がる。脅威監視ユニット４０の処理不可は上述したように軽い。したがって、ＣＰＵおよびメモリを含む中央制御ユニット５５の処理能力を割いて行ってもよく、専用のプロセッサを設けてもよく、脅威監視を含む幾つかのジョブを並列に行う処理システムを設けておいてもよい。

上記の脅威監視のプロセスと並列にまたは時分割で、ステップ７１１においてイベント出力ユニット３０がＩＭＳデータ１１５の変化により、イベントの発生を確認する。イベントの確認と並列に、または前後して、ステップ７１２において、自動更新ユニット４５がイベント付属情報６９に基づき特定パターン４８の更新が必要と判断すると、ステップ７１３において特定パターン４８が更新される。ロボット犬１が監視している場所や状況に応じて特定パターン４８を更新できる。

ステップ７１１においてイベントが検出されると、ステップ７２１において要因推定ユニット３２はＩＭＳデータ１１５に基づきイベントの発生要因を判断する。ステップ７２２において、中央制御ユニット５５が、外部のサーバーなどの資源のサポートが必要であると判断すれば、ステップ７２３において、通信ユニット２００などを介してイベント情報とともにイベント付属情報を外部へ伝送する。通信ユニット２００を介して、得られたＩＭＳデータ１１５を含むイベント発生情報を外部に伝送し、外部のサーバーなどからイベントの発生要因を取得してもよい。

ステップ７２４において、自動更新ユニット４５がイベントの発生要因に基づき特定パターン４８の更新が必要であると判断すると、ステップ７２５において、通信ユニット２００を介してローカルメモリ４１のライブラリ４９に格納されている特定パターン４８を自動的に更新する。外部のサーバーあるいはロボット犬１のコントローラなどから、イベント発生要因とともに更新すべき特定パターン４８が通信ユニット２００を介して提供されてもよい。

ステップ７２６において、イベントの発生要因が判明しないときは、中央制御ユニット５５が、ステップ７２７において、サンプル保存ユニット５０によりサンプリングポイントにおける流体を保存カプセル１５９に封入する。

このように、この嗅覚ロボット犬１で特徴的なのは、非常に危険性の高い爆発物質や毒物、毒ガス、有害物質に対しての処理が優先的に行われる構造となっており、緊急時には、全ての分析を停止して、優先処理を実行するように反応させることができることである。

さらに、ロボット犬１は専用の危険予知ユニットを独立して機能する脅威監視ユニット４０を搭載し、これにより脅威となる事態を常時モニタリングする。ローカルメモリ４１には、自分の探索目標となる化学物質のデータベースをローディングしておき、該当しない化学物質に遭遇した場合には、独自で、あるいは要因推定ユニット３２を介してリモートでグローバル・データを参照してもよい。

嗅覚ロボット犬１は、コントローラ側からの指示で複数のモードを切り替える事が出来る。対象となる化学物質やその系統の物質を分析する場合は、脅威監視ユニット４０を利用でき、自分のローカル・メモリ４１に探索データベース（ライブラリ）４９を持って、照合ユニット４２により短時間で参照することができる。データベース４９は、複数のキーから探索が可能なＲＤ構造を採用しており、類似の化学物質や化学変化が発生し易い中間反応物や副生成物等が探索空間上短距離になる構成を採用できる。

さらに、ロボット犬１は、サンプル保存ユニット５０により、グローバル・データに登録が無い場合は、新しい化学物質として登録できるようにしている。すなわち、要因が判断できない場合、物質検出ユニット１００から外気１９をそのまま排気せずに、サンプル保存ユニット５０に切り替えて外気をカプセル１５９に保存する。これにより、既存の分析装置での分析結果と後で照合して登録することで、脅威を判断する特定パターン４８の供給元となるデータベースの品質を向上できる。膨大な特定パターン４８を含むデータベースを適切な品質で構築するには、この自動化システムが重要となる。ＩＭＳセンサー用のデータベースを効率よく充実させるために、既存の質量分析装置などの分析結果とＩＭＳを使った分析結果との比較と差分情報を一致させる或いは吸収して補正するルールを構築できる。統計データを蓄積することで、ＩＭＳセンサー用の特定パターンを自動生成することを含むデータベース構築の自動化が実現する。

新しい化学物質を検出した場合は、嗅覚ロボット犬１は、ネットワークを経由して、グローバルメモリに対して仮登録を行ってもよい。これは、後で、成分分析が実行されて物質の特定がされた場合に、正式登録とする方式である。化学物質のシグネチャが登録され、ある推定アルゴリズムにより、物質の推定が実行される。この推定は、統計処理と実際の物質特定結果により、アルゴリズムの修正と推定根拠（ルール）が修正されて確度が向上する方式を採用している。これを、化学物質の推定と学習と呼び、人間が化学物質の特定に関不する時間を短縮するのに貢献する。つまり、半自動化アルゴリズムから、自動化アルゴリズムへと進化させるのに貢献している。推定確度と学習効率を上げるポイントは、探索対象のシグネチャ情報だけでは無く、その場にある他の情報、例えば、湿度や温度、そこに存在している他のシグネチャとの相関性も含めた類推と実際の分析結果とのギャップを埋めるファクターを見つけ出す事が非常に重要になる。

なお、以上では、自立して移動可能なロボットの例としてロボット犬１に搭載された嗅覚システム３００を例に本発明を説明したが、嗅覚システム３００は、他のロボット、携帯電話を含む携帯端末などの移動可能な装置、または固定された装置に搭載することが可能である。また、上記の嗅覚システム３００は、複数のサンプリングポイントを含むが、１つのサンプリングポイントで採取された外気１９に含まれる化学物質を検出するシステムであってもよい。

また、ロボット犬１は地上を移動できるロボットの一例であるが、鳥型ロボットや、空中を浮遊あるいは飛行可能なロボットであってもよい。さらに、海上あるいは海中を移動するロボットであってもよい。また、上記では気体中の化学物質を検出する機能を含むロボットを例に説明したが、水中あるいは海中に含まれる化学物質を検出する機能を含むロボットであってもよい。さらに、脅威をモニタリングする機能は、ＩＭＳセンサー１１０などとともに携帯用の情報端末に実装したり、自動車、飛行機、船などの移動体に実装したり、家電に実装したり、ビルやホームセキュリティ用の製品に実装したりすることも可能である。

Claims (6)

1. サンプリングポイントにおける流体に含まれる不特定の化学物質に関連する化学物質関連情報をイオン移動度センサーまたは質量分析センサーの分析型センサーの第１タイプのセンサーにより取得する検出ユニットと、
   無線または有線により外部と通信する通信ユニットと、
   脅威の要因となる特定の化学物質を前記第１タイプのセンサーにより検出したときの特定パターンを含む脅威検出用ライブラリを格納したローカルメモリと、
   前記検出ユニットにより得られた化学物質関連情報と前記脅威検出用ライブラリに含まれるモニタリング用の特定パターンとを定常的に比較し、前記得られた化学物質関連情報と前記モニタリング用の特定パターンとが合致したときに合致情報を出力する照合処理を含み、さらに、前記得られた化学物質関連情報に含まれる化学成分の変化および検出された化学物質の濃度変化に基づき、匂いに関連するイベントが発生したことを判断しイベントが発生したことおよびイベントの発生要因を出力する処理であって、前記通信ユニットを介して前記化学物質関連情報を外部に伝送し、前記化学物質関連情報から推定される化学物質および／または前記推定される化学物質が放出される要因を含むイベントの発生要因を取得することを含む出力する処理を含み、前記照合処理および前記出力する処理を時分割または並列に実行するプロセッサとを有する装置であって、さらに、
   当該装置の周囲の画像および／または音を含むイベント付属情報を取得するユニットを有し、
   前記プロセッサは、前記通信ユニットを介して前記イベント付属情報に含まれる画像および／または音により当該装置が対面する状況を判断し、判断された前記状況で脅威となる匂いの要素を含む特定パターンを取得し、取得した特定パターンにより前記ローカルメモリの前記脅威検出用ライブラリを更新する機能を含む、装置。
2. 請求項１に記載された装置において、
   前記プロセッサは、前記通信ユニットを介して前記イベントの発生要因により脅威となる化学物質の特定パターンを取得し、取得した特定パターンにより前記ローカルメモリの前記脅威検出用ライブラリを更新する機能を含む、装置。
3. 請求項１または２に記載された装置において、
   前記イベントの発生要因が判明しないときに、前記サンプリングポイントにおける流体を保存カプセルに封入するサンプル保存ユニットをさらに有する、装置。
4. サンプリングポイントにおける流体に含まれる不特定の化学物質に関連する化学物質関連情報をイオン移動度センサーまたは質量分析センサーの分析型センサーの第１タイプのセンサーにより検出する検出ユニットと、無線または有線により外部と通信する通信ユニットと、脅威の要因となる特定の化学物質を前記第１タイプのセンサーにより検出したときの特定パターンを含む脅威検出用ライブラリを格納したローカルメモリと、プロセッサとを有する装置であって、さらに、当該装置の周囲の画像および／または音を含むイベント付属情報を取得するユニットを有する装置を制御する方法であって、
   前記プロセッサが、前記検出ユニットにより得られた化学物質関連情報と前記脅威検出用ライブラリに含まれるモニタリング用の特定パターンとを定常的に比較し、前記得られた化学物質関連情報と前記モニタリング用の前記特定パターンとが合致したときに合致情報を出力する照合処理を行うことと、
   前記プロセッサが、前記照合処理と時分割または並列で、前記得られた化学物質関連情報に含まれる化学成分の変化および検出された化学物質の濃度変化に基づき、匂いに関連するイベントが発生したことを判断しイベントが発生したことおよびイベントの発生要因を出力する際に、前記通信ユニットを介して前記化学物質関連情報を外部に伝送して前記化学物質関連情報から推定される化学物質および／または前記推定される化学物質が放出される要因を含むイベントの発生要因を取得する処理を行うことと、
   前記プロセッサが、前記イベント付属情報を取得するユニットにより前記イベント付属情報を取得することと、
   前記プロセッサが、前記通信ユニットを介して前記イベント付属情報に含まれる画像および／または音により前記装置が対面する状況を判断し、判断された前記状況で脅威となる匂いの要素を含む特定パターンを取得し、取得した特定パターンにより前記ローカルメモリの前記脅威検出用ライブラリを更新することとを有する方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   前記プロセッサが、前記通信ユニットを介して前記イベントの発生要因により脅威となる化学物質の特定パターンを取得し、取得した特定パターンにより前記ローカルメモリの前記脅威検出用ライブラリを更新することをさらに有する、方法。
6. サンプリングポイントにおける流体に含まれる不特定の化学物質に関連する化学物質関連情報をイオン移動度センサーまたは質量分析センサーの分析型センサーの第１タイプのセンサーにより検出する検出ユニットと、無線または有線により外部と通信する通信ユニットと、脅威の要因となる特定の化学物質を前記第１タイプのセンサーにより検出したときの特定パターンを含む脅威検出用ライブラリを格納したローカルメモリと、プロセッサとを有する装置であって、さらに、当該装置の周囲の画像および／または音を含むイベント付属情報を取得するユニットを有する装置において実行されるプログラムであって、
   前記検出ユニットにより得られた化学物質関連情報と前記脅威検出用ライブラリに含まれるモニタリング用の特定パターンとを定常的に比較し、前記得られた化学物質関連情報と前記モニタリング用の前記特定パターンとが合致したときに合致情報を出力する照合処理と、前記照合処理と時分割または並列に、前記得られた化学物質関連情報に含まれる化学成分の変化および検出された化学物質の濃度変化に基づき、匂いに関連するイベントが発生したことを判断しイベントが発生したことおよびイベントの発生要因を出力する処理であって、前記通信ユニットを介して前記化学物質関連情報を外部に伝送して前記化学物質関連情報から推定される化学物質および／または前記推定される化学物質が放出される要因を含むイベントの発生要因を取得することを含む処理とを前記プロセッサが実行する命令と、
   前記イベント付属情報を取得するユニットにより前記イベント付属情報を取得する命令と、
   前記通信ユニットを介して前記イベント付属情報に含まれる画像および／または音により前記装置が対面する状況を判断し、判断された前記状況で脅威となる匂いの要素を含む特定パターンを取得し、取得した特定パターンにより前記ローカルメモリの前記脅威検出用ライブラリを更新する命令とを有するプログラム。

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