傳感器都運(yùn)用到舌頭上啦

傳感器應(yīng)用科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用了類似唾液的化學(xué)抗性離子水凝膠錨定在柔軟的基材上，形成柔軟的人造舌頭，該傳感器基于簡(jiǎn)單的擦拭和檢測(cè)方法檢測(cè)飲料和水果中的澀味程度。

人造舌頭具有檢測(cè)五種基本味覺的能力，因此受到越來越多的關(guān)注，但是直到現(xiàn)在，科學(xué)家們?nèi)詿o(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中完全啟用類似于人類舌頭的仿生技術(shù)。

為了模仿人類舌頭般的澀味感，Jeonghee Yeom和韓國(guó)蔚山國(guó)立科學(xué)技術(shù)學(xué)院能源工程與化學(xué)工程的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)使用了類似唾液的化學(xué)抗性離子水凝膠錨定在柔軟的基材上，形成柔軟的人造舌頭。他們將構(gòu)建體暴露于澀味化合物，并允許疏水聚集體在微孔網(wǎng)絡(luò)中形成，將其轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈纳频碾x子電導(dǎo)率的微/納米孔結(jié)構(gòu)。他們使用獨(dú)特的人類舌頭狀結(jié)構(gòu)，檢測(cè)到單寧酸（TA）的光譜范圍廣（0.0005至1重量百分比），具有高靈敏度和快速響應(yīng)時(shí)間。

作為概念證明，該傳感器基于簡(jiǎn)單的擦拭和檢測(cè)方法檢測(cè)飲料和水果中的澀味程度。該平臺(tái)將在類人機(jī)器人中具有強(qiáng)大的未來應(yīng)用，并且作為味道監(jiān)測(cè)設(shè)備，其研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

水凝膠人造舌傳感器

舌頭是一個(gè)肌肉器官，它是身體最柔軟、最靈活、最敏感的部位之一，含有一系列的機(jī)械感受器和離子通道。一層幾百微米厚的唾液薄膜可以保持舌頭的水分，它含有99%的水、電解質(zhì)、免疫球蛋白和分泌蛋白的混合物。唾液在味覺感知過程中起著重要作用，它能溶解味覺物質(zhì)，使其與受體細(xì)胞結(jié)合或有效地通過離子通道流動(dòng)。人類可以區(qū)分五種基本的口味，包括甜、酸、苦、咸和鮮味。水溶性味覺可以通過味覺感受器細(xì)胞或離子通道檢測(cè)，這些味覺感受器細(xì)胞結(jié)合味覺化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生甜、苦和鮮味感覺后去極化產(chǎn)生電信號(hào)。對(duì)于咸味和酸味，這一過程取決于鈉或氫離子通過離子通道的流動(dòng)。

人類可以通過接觸主要存在于未熟水果、葡萄酒和茶中的多酚來感覺到澀味。它們是一種強(qiáng)抗氧化劑和消炎物質(zhì)，但能引起負(fù)面的營(yíng)養(yǎng)影響或在高劑量下致死。由于攝入的收斂劑和覆蓋舌頭的鼠尾草蛋白有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，所以可以檢測(cè)到收斂劑。在口腔內(nèi)，收斂劑可以與分泌的蛋白質(zhì)結(jié)合，形成不溶性沉淀物，收縮上皮，造成干燥、皺褶的感覺。到目前為止，生物工程師還沒有開發(fā)出一種完全靈活和柔軟的人造舌頭，用于選擇特定的收斂劑。

在這項(xiàng)工作中，研究人員通過引入一種軟性水凝膠人造舌，模擬了人類的收斂感知機(jī)制。它們受到人類舌頭上唾液薄層的生物啟發(fā)，通過共價(jià)鍵合在柔性聚合物基底上形成同樣柔軟和薄的水凝膠膜。

人造舌中含有黏蛋白作為分泌蛋白，氯化鋰（LiCl）、聚丙烯酰胺（PAAm）和三維多孔聚合物網(wǎng)絡(luò)以方便電解質(zhì)的流動(dòng)。200微米的軟水凝膠厚度相當(dāng)于人類舌頭上的唾液層，有助于收斂劑的有效吸附和擴(kuò)散。例如，研究人員實(shí)驗(yàn)中使用了鞣酸（TA），當(dāng)TA擴(kuò)散到水凝膠基質(zhì)中時(shí)，進(jìn)入的TA分子與粘蛋白結(jié)合和復(fù)合形成疏水性聚集體。這一過程將微孔凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性鰪?qiáng)離子導(dǎo)電性的分層微孔或納米孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能成功地檢測(cè)出真實(shí)飲料的澀味程度，并能有效地監(jiān)測(cè)水果的成熟度。

澀味可檢測(cè)傳感器的工作原理。

人造舌頭具有極高的穩(wěn)定性

研究人員還利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜研究了粘蛋白與單寧的結(jié)合機(jī)理，并對(duì)其化學(xué)組成進(jìn)行了研究。粘蛋白的振動(dòng)峰對(duì)應(yīng)于酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ的蛋白帶，結(jié)合單寧引起背景構(gòu)象的變化。為了設(shè)計(jì)一種使用唾液狀水凝膠和柔性電極基底的柔性化學(xué)電阻傳感器，科學(xué)家們使用聚（乙烯萘酸酯）（PEN），然后通過氧等離子體處理形成親水（親水）PEN表面，以有效地將表面附著到唾液狀PAAm水凝膠網(wǎng)絡(luò)。然后，他們?cè)谧贤饩€（UV）聚合下使用化學(xué)錨定劑在基底之間進(jìn)行共價(jià)鍵合。

在其作用機(jī)理中，流動(dòng)的LiCl離子在三維微孔網(wǎng)絡(luò)中使人工唾液膜表現(xiàn)出中等的導(dǎo)電性，而電解質(zhì)粘附在親水微孔上，離子輸運(yùn)能力差。研究人員將TA引入人工舌中，粘蛋白和TA復(fù)合形成疏水性聚集體，增強(qiáng)了離子在整個(gè)層次孔隙結(jié)構(gòu)中的傳輸，這種轉(zhuǎn)變通過增加離子導(dǎo)電性促進(jìn)了收斂性感知。研究小組通過監(jiān)測(cè)不同濃度TA下電流的相對(duì)變化來量化感官表現(xiàn)。

該傳感器具有傳感范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中具有許多潛在的優(yōu)勢(shì)。為了測(cè)試真正飲料的收斂性，科學(xué)家們使用了三種不同的葡萄酒，包括紅色、玫瑰色和白色，以及不同釀造時(shí)間的紅茶。與之前的TA一樣，他們監(jiān)測(cè)了特定的電流變化，以評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)的收斂性，紅酒由于其單寧的濃度而具有最高程度的收斂性。

科學(xué)家們隨后考慮了傳感器在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性。為了防止主要由水組成的唾液樣水凝膠脫水，他們?cè)谌嗽焐囝^上采用了LiCl作為導(dǎo)電和保濕劑。人造舌由于其粘液成分的存在，在較寬的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出穩(wěn)定的傳感性能。雖然人的舌頭可以通過舔來檢測(cè)化合物的痕跡，但人造舌頭檢測(cè)微量分析物的能力有限。相比之下，新研制的收斂性傳感器直接分析液體分析，通過一個(gè)擦拭和檢測(cè)方案在一個(gè)靈活的擦拭過程中內(nèi)置傳感器裝置。研究小組隨后用這種裝置對(duì)未成熟的柿子進(jìn)行了測(cè)試，這種水果自然含有大量的單寧，以喚起澀味。當(dāng)他們把人造舌頭貼在柿子的心上時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)柿子的收斂性相對(duì)較高。果實(shí)成熟后，其收斂性相對(duì)較低。新裝置檢測(cè)到不同程度的收斂性，因此可以作為一種基于特定區(qū)域內(nèi)電變化的便攜式味覺測(cè)量裝置。

通過這種方式，楊正熙和他的同事開發(fā)了一種人造舌頭，完全受人類感知機(jī)制的啟發(fā)。他們利用在柔性基底上的紫外聚合制備了實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)，以觀察非凡的傳感能力。這種類似人類舌頭的裝置具有很寬的感應(yīng)范圍和低的檢測(cè)濃度限制，以及對(duì)其他特定口味的高選擇性。研究小組將該裝置暴露于收斂劑化合物中，并記錄了其作用機(jī)理。他們打算進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)成人工構(gòu)建物的蛋白質(zhì)，以提高其普遍的傳感能力。人造舌頭傳感器的杰出成果使其在味覺量化或評(píng)價(jià)、味覺障礙研究以及仿人機(jī)器人內(nèi)部的集成等方面具有吸引力。

翻譯自https://phys.org/news/2020-06-soft-ion-conducting-hydrogel-artificial-tongue.html

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