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          每日科普|摩擦不僅能生熱,還能產(chǎn)生嗅覺(jué)?

           老沈閱覽 2020-01-20

          摩擦會(huì )產(chǎn)生什么?每一個(gè)物理及格的人都會(huì )說(shuō):摩擦生熱!不過(guò),要是告訴你摩擦還能產(chǎn)生嗅覺(jué),會(huì )不會(huì )有黑科技的感覺(jué)?

          近日,《Nano Energy》(納米能量)發(fā)表了一項最新研究:An artificial triboelectricity-brain-behavior closed loop for intelligent olfactory substitution。該研究基于納米發(fā)電原理和嗅覺(jué)受體的功能,實(shí)現了對不同氣體分子的識別。這項研究具有極為廣泛的應用前景,為嗅覺(jué)受體功能替代以及新型神經(jīng)刺激和腦機接口提供了新方法和新思路。

          嗅覺(jué)有多重要?


          嗅覺(jué)是一種重要的感覺(jué):動(dòng)物會(huì )以聞一聞對方身上味道的方式來(lái)“相識”;警犬聞一聞犯罪嫌疑人的物品可以幫助警察破案。

          對人而言,嗅覺(jué)的重要性更是不言而喻:嬰兒聞到媽媽特有的味道會(huì )感到安心;香噴噴的飯菜讓人食指大動(dòng);氣味宜人的環(huán)境有助于改善睡眠……

          嗅覺(jué)也起到至關(guān)重要的“警示器”作用:聞到加在天然氣中四氫噻吩的味道,就要趕緊檢查管道是否有泄漏;變質(zhì)的食物散發(fā)的難聞氣味提醒人們不要誤食;地下勘探時(shí)異樣的氣味也是危險的信號。

          我們是怎么聞到味道的?

          哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)系統主要由嗅上皮、嗅球、嗅皮層三部分組成。

          嗅覺(jué)感受器在鼻腔上端的嗅上皮內,由幾百個(gè)基因調控,這些感受器位于嗅感覺(jué)神經(jīng)元上并可以感受氣味。

          嗅覺(jué)感受器的一端向嗅上皮表面突出,其末端向粘液中伸出許多纖毛感受氣味,很像水草在水中搖擺的樣子。嗅覺(jué)感受器的另一端則匯成神經(jīng)束,經(jīng)過(guò)篩板進(jìn)入嗅球,與嗅球內的神經(jīng)元建立聯(lián)系。

          脊椎動(dòng)物嗅上皮的一般構造 圖片來(lái)源:作者手繪

          嗅球是傳遞和處理嗅覺(jué)信號的初級中樞。一個(gè)嗅球中有多個(gè)嗅小球,嗅小球在嗅球中的排列位置固定,如果將嗅感覺(jué)神經(jīng)元比作一個(gè)捕獲氣體的容器,那么每個(gè)容器只裝一種氣體,而這一種氣體只能被投放在固定的一個(gè)或兩個(gè)嗅小球中,再傳入到僧帽細胞,最后分別投射到嗅皮層各區域。

          嗅球與前腦連接,實(shí)現了對捕食,求偶等多種肢體行為的間接控制。嗅覺(jué)系統還能識別有毒氣體,促使大腦對行為作出調控,使人逃離險境。

          所以,嗅球是哺乳動(dòng)物嗅覺(jué)感知的第一中轉站,若嗅球功能受損,嗅覺(jué)信號傳遞受到阻礙,信號無(wú)法傳遞到嗅覺(jué)中樞,嗅覺(jué)中樞則不能對氣味進(jìn)行識別和認知,嗅覺(jué)便會(huì )失靈。那么,如果有人嗅覺(jué)受損,要如何才能彌補呢?答案是:發(fā)電。

          發(fā)電和嗅覺(jué)之間還有關(guān)系?

          還記得小學(xué)自然課上的一個(gè) “魔術(shù)”嗎?用絲綢摩擦玻璃棒,然后玻璃棒竟然可以將碎紙屑粘起來(lái)。原來(lái),被絲綢摩擦過(guò)的玻璃棒帶正電荷,被毛皮摩擦過(guò)的橡膠棒帶負電荷。摩擦生電的本質(zhì)就是物體接觸之后再分離,就會(huì )有電荷在接觸表面發(fā)生轉移。

          基于這個(gè)原理,研究團隊選用了制作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、無(wú)毒無(wú)害的聚合物材料:聚二甲硅氧烷(PDMS)和聚吡咯衍生物(Ppy derivates)。聚吡咯衍生物的表面會(huì )吸附一些氣體分子,使得其表面發(fā)生改性,從而影響摩擦發(fā)電過(guò)程,例如:四磺酸酞菁銅(CuPcTs)摻雜的聚吡咯更容易吸附丙酮分子,吸附在聚吡咯表面的丙酮分子改變了CuPcTs摻雜的聚吡咯的吸附電子的能力,減小了摩擦電流的輸出。根據摩擦電流的輸出量,我們可以判斷出空氣中丙酮的濃度。大概的示意圖如下:

          圖片來(lái)源:作者手繪

          如果想進(jìn)一步區分出空氣中都有哪些氣體分子,那么就需要制作能夠吸附不同氣體分子的聚吡咯衍生物(如硝酸摻雜的聚吡咯更容易吸附甲醇分子),組裝成多個(gè)氣體傳感單元后,通過(guò)對比各個(gè)傳感單元的摩擦電輸出,就能分辨出當前環(huán)境下都有哪些氣體存在,濃度各是多少。

          人工嗅覺(jué)系統是如何運作的?

          基于以上原理,研究團隊設計了閉環(huán)可穿戴系統,實(shí)現了人工嗅覺(jué)感知。

          簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),可穿戴的電子嗅覺(jué)傳感器可以模擬嗅覺(jué)上皮組織的運作過(guò)程,該裝置通過(guò)產(chǎn)生摩擦感應信號來(lái)檢測揮發(fā)性化學(xué)物質(zhì)(氣味分子如硫化氫,氨氣,酒精等),并將檢測到的氣體信息傳送到大腦。大腦控制身體做出特定的行為,例如逃離有毒的氣體。這種逃逸的動(dòng)作使可穿戴的電子器件發(fā)生形變(彎曲變形)產(chǎn)生摩擦電,電流被器件檢測后再驅動(dòng)器件繼續工作。因此,行為——摩擦生電——大腦——行為過(guò)程可以形成一個(gè)閉環(huán)。

          摻雜不同摻雜劑/表面活性劑的傳感元件對特定氣體氣氛的檢測具有選擇性,而同一種摻雜劑的傳感原件對不同的氣體也有不同的敏感度。這些傳感元件可以在嗅覺(jué)檢測器中形成傳感元件陣列,它可以輸出像編碼一樣的傳感信號,不同的編碼代表著(zhù)不同的氣體和濃度,這些編碼甚至還可以被手機識別。

          為了測試摩擦電自驅動(dòng)人工嗅覺(jué)系統對生物體的作用,該團隊通過(guò)手術(shù)將電極植入到正常小鼠腦內的初級體感皮層中,初級體感皮層可以對運動(dòng)行為進(jìn)行調節。研究團隊假設,從該裝置輸入到初級體感皮層的信號可視為攜帶環(huán)境大氣信息的輸入,大腦分析大氣信息并做出相應的行為反應(如轉身、逃跑等行為),行為反應會(huì )使可穿戴的電子器件發(fā)生形變產(chǎn)生摩擦電,又可以對自供電器件進(jìn)行重新驅動(dòng),由此形成了自驅動(dòng)電刺激和行為變化的閉環(huán)。

          研究人員促使嗅覺(jué)傳感器器件產(chǎn)生形變,使其產(chǎn)生摩擦電,模擬了環(huán)境中的危險氣味信息,會(huì )發(fā)現小鼠受到刺激,身體發(fā)生偏轉。器件繼續產(chǎn)生形變,會(huì )觀(guān)察到小鼠身體的偏轉角度增大。上述情況說(shuō)明,器件產(chǎn)生了足夠的電信號來(lái)刺激大腦,促使大腦對行為做出改變,也就是說(shuō),該實(shí)驗可以模擬對外界潛在嗅覺(jué)刺激的規避。

          結語(yǔ)

          上述閉環(huán)系統在重建或增強感覺(jué)障礙患者的感覺(jué)能力方面具有潛在的應用價(jià)值。未來(lái)科研人員可以開(kāi)發(fā)和應用新的材料體系,設計更靈敏、使用壽命更長(cháng)的氣味檢測系統。

          不過(guò),雖然目前該系統在實(shí)驗中證實(shí)可以規避有毒的揮發(fā)性氣體,但是還不能完全代替人體的嗅覺(jué)系統。要想應用到臨床上解決嗅覺(jué)失靈的問(wèn)題,研究團隊還有很長(cháng)的路要走。(作者單位:中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)

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