傳感器應(yīng)用科學家團隊使用了類似唾液的化學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，該傳感器基于簡單的擦拭和檢測方法檢測飲料和水果中的澀味程度。

人造舌頭具有檢測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，科學家們?nèi)詿o法在實驗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和韓國蔚山國立科學技術(shù)學院能源工程與化學工程的科學家團隊使用了類似唾液的化學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子電導率的微/納米孔結(jié)構(gòu)。他們使用獨特的人類舌頭狀結(jié)構(gòu)，檢測到單寧酸（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)時間。

作為概念證明，該傳感器基于簡單的擦拭和檢測方法檢測飲料和水果中的澀味程度。該平臺將在類人機器人中具有強大的未來應(yīng)用，并且作為味道監(jiān)測設(shè)備，其研究成果現(xiàn)已發(fā)表在《科學進展》上。

水凝膠人造舌傳感器

舌頭是一個肌肉器官，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)，使其與受體細胞結(jié)合或有效地通過離子通道流動。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胞或離子通道檢測，這些味覺感受器細胞結(jié)合味覺化學物質(zhì)產(chǎn)生甜、苦和鮮味感覺后去極化產(chǎn)生電信號。對于咸味和酸味，這一過程取決于鈉或氫離子通過離子通道的流動。

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。它們是一種強抗氧化劑和消炎物質(zhì)，但能引起負面的營養(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的關(guān)聯(lián)性，所以可以檢測到收斂劑。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制。它們受到人類舌頭上唾液薄層的生物啟發(fā)，通過共價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。200微米的軟水凝膠厚度相當于人類舌頭上的唾液層，有助于收斂劑的有效吸附和擴散。例如，研究人員實驗中使用了鞣酸（TA），當TA擴散到水凝膠基質(zhì)中時，進入的TA分子與粘蛋白結(jié)合和復合形成疏水性聚集體。這一過程將微孔凝膠轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂性鰪婋x子導電性的分層微孔或納米孔結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)能成功地檢測出真實飲料的澀味程度，并能有效地監(jiān)測水果的成熟度。

澀味可檢測傳感器的工作原理。

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)合機理，并對其化學組成進行了研究。粘蛋白的振動峰對應(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)計一種使用唾液狀水凝膠和柔性電極基底的柔性化學電阻傳感器，科學家們使用聚（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，他們在紫外線（UV）聚合下使用化學錨定劑在基底之間進行共價鍵合。

在其作用機理中，流動的LiCl離子在三維微孔網(wǎng)絡(luò)中使人工唾液膜表現(xiàn)出中等的導電性，而電解質(zhì)粘附在親水微孔上，離子輸運能力差。研究人員將TA引入人工舌中，粘蛋白和TA復合形成疏水性聚集體，增強了離子在整個層次孔隙結(jié)構(gòu)中的傳輸，這種轉(zhuǎn)變通過增加離子導電性促進了收斂性感知。研究小組通過監(jiān)測不同濃度TA下電流的相對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，在實際應(yīng)用中具有許多潛在的優(yōu)勢。為了測試真正飲料的收斂性，科學家們使用了三種不同的葡萄酒，包括紅色、玫瑰色和白色，以及不同釀造時間的紅茶。與之前的TA一樣，他們監(jiān)測了特定的電流變化，以評估標準的收斂性，紅酒由于其單寧的濃度而具有最高程度的收斂性。

科學家們隨后考慮了傳感器在實際應(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，他們在人造舌頭上采用了LiCl作為導電和保濕劑。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化合物的痕跡，但人造舌頭檢測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，通過一個擦拭和檢測方案在一個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未成熟的柿子進行了測試，這種水果自然含有大量的單寧，以喚起澀味。當他們把人造舌頭貼在柿子的心上時，他們發(fā)現(xiàn)柿子的收斂性相對較高。果實成熟后，其收斂性相對較低。新裝置檢測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，完全受人類感知機制的啟發(fā)。他們利用在柔性基底上的紫外聚合制備了實驗結(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)范圍和低的檢測濃度限制，以及對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，并記錄了其作用機理。他們打算進一步優(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價、味覺障礙研究以及仿人機器人內(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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