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摩擦居然还能产生嗅觉?

2019-09-04 09:28:35  来源:科学大院

摩擦会产生什么?每一个物理及格的人都会说:摩擦生热!不过,要是告诉你摩擦还能产生嗅觉,会不会有黑科技的感觉?

近日,《Nano Energy》(纳米能量)发表了一项最新研究:An artificial triboelectricity-brain-behavior closed loop for intelligent olfactory substitution。该研究基于纳米发电原理和嗅觉受体的功能,实现了对不同气体分子的识别。这项研究具有极为广泛的应用前景,为嗅觉受体功能替代以及新型神经刺激和脑机接口提供了新方法和新思路。

 (图片来源:Elsevier)

(图片来源:Elsevier)

嗅觉有多重要?

嗅觉是一种重要的感觉:动物会以闻一闻对方身上味道的方式来“相识”;警犬闻一闻犯罪嫌疑人的物品可以帮助警察破案。

对人而言,嗅觉的重要性更是不言而喻:婴儿闻到妈妈特有的味道会感到安心;香喷喷的饭菜让人食指大动;气味宜人的环境有助于改善睡眠……

嗅觉也起到至关重要的“警示器”作用:闻到加在天然气中四氢噻吩的味道,就要赶紧检查管道是否有泄漏;变质的食物散发的难闻气味提醒人们不要误食;地下勘探时异样的气味也是危险的信号。

我们是怎么闻到味道的?

哺乳动物嗅觉系统主要由嗅上皮、嗅球、嗅皮层三部分组成。

嗅觉感受器在鼻腔上端的嗅上皮内,由几百个基因调控,这些感受器位于嗅感觉神经元上并可以感受气味。

嗅觉感受器的一端向嗅上皮表面突出,其末端向粘液中伸出许多纤毛感受气味,很像水草在水中摇摆的样子。嗅觉感受器的另一端则汇成神经束,经过筛板进入嗅球,与嗅球内的神经元建立联系。

脊椎动物嗅上皮的一般构造(图片来源:作者手绘)

脊椎动物嗅上皮的一般构造(图片来源:作者手绘)

嗅球是传递和处理嗅觉信号的初级中枢,内部的细胞分层结构如下图。

哺乳动物嗅球内细胞的分层结构:M代表僧帽细胞, T代表丛状细胞, S代表短轴突细胞, P代表球周细胞, G代表颗粒细胞(图片来源:中国知网)

哺乳动物嗅球内细胞的分层结构:M代表僧帽细胞, T代表丛状细胞, S代表短轴突细胞, P代表球周细胞, G代表颗粒细胞(图片来源:中国知网)

一个嗅球中有多个嗅小球,嗅小球在嗅球中的排列位置固定,如果将嗅感觉神经元比作一个捕获气体的容器,那么每个容器只装一种气体,而这一种气体只能被投放在固定的一个或两个嗅小球中,再传入到僧帽细胞,最后分别投射到嗅皮层各区域。

嗅球与前脑连接,实现了对捕食,求偶等多种肢体行为的间接控制。嗅觉系统还能识别有毒气体,促使大脑对行为作出调控,使人逃离险境。

所以,嗅球是哺乳动物嗅觉感知的第一中转站,若嗅球功能受损,嗅觉信号传递受到阻碍,信号无法传递到嗅觉中枢,嗅觉中枢则不能对气味进行识别和认知,嗅觉便会失灵。那么,如果有人嗅觉受损,要如何才能弥补呢?答案是:发电。

发电和嗅觉之间还有关系?

还记得小学自然课上的一个 “魔术”吗?用丝绸摩擦玻璃棒,然后玻璃棒竟然可以将碎纸屑粘起来。原来,被丝绸摩擦过的玻璃棒带正电荷,被毛皮摩擦过的橡胶棒带负电荷。摩擦生电的本质就是物体接触之后再分离,就会有电荷在接触表面发生转移。

基于这个原理,研究团队选用了制作简便、价格低廉、无毒无害的聚合物材料: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会吸附一些气体分子,使得其表面发生改性,从而影响摩擦发电过程,例如:四磺酸酞菁铜(CuPcTs)掺杂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变了CuPcTs掺杂的聚吡咯的吸附电子的能力,减小了摩擦电流的输出。根据摩擦电流的输出量,我们可以判断出空气中丙酮的浓度。大概的示意图如下:

如果想进一步区分出空气中都有哪些气体分子,那么就需要制作能够吸附不同气体分子的聚吡咯衍生物(如硝酸掺杂的聚吡咯更容易吸附甲醇分子),组装成多个气体传感单元后,通过对比各个传感单元的摩擦电输出,就能分辨出当前环境下都有哪些气体存在,浓度各是多少。

人工嗅觉系统是如何运作的?

基于以上原理,研究团队设计了闭环可穿戴系统,实现了人工嗅觉感知。

简单来说,可穿戴的电子嗅觉传感器可以模拟嗅觉上皮组织的运作过程,该装置通过产生摩擦感应信号来检测挥发性化学物质(气味分子如硫化氢,氨气,酒精等),并将检测到的气体信息传送到大脑。大脑控制身体做出特定的行为,例如逃离有毒的气体。这种逃逸的动作使可穿戴的电子器件发生形变(弯曲变形)产生摩擦电,电流被器件检测后再驱动器件继续工作。因此,行为——摩擦生电——大脑——行为过程可以形成一个闭环。

闭环示意图(图片来源:Elsevier)

闭环示意图(图片来源:Elsevier)

可穿戴柔性电子器件示意图(图片来源:Elsevier)

可穿戴柔性电子器件示意图(图片来源:Elsevier)

掺杂不同掺杂剂/表面活性剂的传感元件对特定气体气氛的检测具有选择性,而同一种掺杂剂的传感原件对不同的气体也有不同的敏感度。这些传感元件可以在嗅觉检测器中形成传感元件阵列,它可以输出像编码一样的传感信号,不同的编码代表着不同的气体和浓度,这些编码甚至还可以被手机识别。

(图片来源:Elsevier)

(图片来源:Elsevier)

为了测试摩擦电自驱动人工嗅觉系统对生物体的作用,该团队通过手术将电极植入到正常小鼠脑内的初级体感皮层中,初级体感皮层可以对运动行为进行调节。研究团队假设,从该装置输入到初级体感皮层的信号可视为携带环境大气信息的输入,大脑分析大气信息并做出相应的行为反应(如转身、逃跑等行为),行为反应会使可穿戴的电子器件发生形变产生摩擦电,又可以对自供电器件进行重新驱动,由此形成了自驱动电刺激和行为变化的闭环。

(图片来源:Elsevier)

(图片来源:Elsevier)

研究人员促使嗅觉传感器器件产生形变,使其产生摩擦电,模拟了环境中的危险气味信息,会发现小鼠受到刺激,身体发生偏转。器件继续产生形变,会观察到小鼠身体的偏转角度增大。上述情况说明,器件产生了足够的电信号来刺激大脑,促使大脑对行为做出改变,也就是说,该实验可以模拟对外界潜在嗅觉刺激的规避。

结语

上述闭环系统在重建或增强感觉障碍患者的感觉能力方面具有潜在的应用价值。未来科研人员可以开发和应用新的材料体系,设计更灵敏、使用寿命更长的气味检测系统。

不过,虽然目前该系统在实验中证实可以规避有毒的挥发性气体,但是还不能完全代替人体的嗅觉系统。要想应用到临床上解决嗅觉失灵的问题,研究团队还有很长的路要走。

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