摩擦居然還能產(chǎn)生嗅覺

潤語

嗅覺有多重要？

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

對(duì)人而言，嗅覺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破損；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(xiǎn)的信號(hào)。

我們是怎么聞到氣味的

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

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

嗅覺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。嗅覺感受器的另一端則匯成神經(jīng)束，經(jīng)過篩板進(jìn)入嗅球，與嗅球內(nèi)的神經(jīng)元建立聯(lián)系。

嗅球是傳遞和處理嗅覺信號(hào)的初級(jí)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(xì)胞，最后分別投射到嗅皮層各區(qū)域。

嗅球與前腦連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)捕食，求偶等多種肢體行為的間接控制。嗅覺系統(tǒng)還能識(shí)別有毒氣體，促使大腦對(duì)行為作出調(diào)控，使人逃離險(xiǎn)境。

所以，嗅球是哺乳動(dòng)物嗅覺感知的第一中轉(zhuǎn)站，若嗅球功能受損，嗅覺信號(hào)傳遞受到阻礙，信號(hào)無法傳遞到嗅覺中樞，嗅覺中樞就不能對(duì)氣味進(jìn)行識(shí)別和認(rèn)知，嗅覺便會(huì)失靈。那么，如果有人嗅覺受損，要如何才能彌補(bǔ)呢？答案是：發(fā)電。

發(fā)電和嗅覺之間還有關(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。原來，被絲綢摩擦過的玻璃棒帶正電荷，被毛皮摩擦過的橡膠棒帶負(fù)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(zhuǎn)移。

基于這個(gè)原理，研究團(tuán)隊(duì)選用了制作簡便、價(jià)格低廉、無毒無害的聚合物材料：聚二甲硅氧烷和聚吡咯衍生物。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)電過程，例如：四磺酸酞菁銅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四磺酸酞菁銅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(jù)摩擦電流的輸出量，我們可以判斷出空氣中丙酮的濃度。

如果想進(jìn)一步區(qū)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，通過對(duì)比各個(gè)傳感單元的摩擦電輸出，就能分辨出當(dāng)前環(huán)境下都有哪些氣體存在，濃度各是多少。

人工嗅覺系統(tǒng)是如何運(yùn)作的？

基于以上原理，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了閉環(huán)可穿戴系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了人工嗅覺感知。

簡單來說，可穿戴的電子嗅覺傳感器可以模擬嗅覺上皮組織的運(yùn)作過程，該裝置通過產(chǎn)生摩擦感應(yīng)信號(hào)來檢測揮發(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(qū)動(dòng)器件繼續(xù)工作。因此，行為——摩擦生電——大腦——行為過程可以形成一個(gè)閉環(huán)。

摻雜不同摻雜劑、表面活性劑的傳感元件對(duì)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(duì)不同的氣體也有不同的敏感度。這些傳感元件可以在嗅覺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(hào)，不同的編碼代表著不同的氣體和濃度，這些編碼甚至還可以被手機(jī)識(shí)別。

為了測試摩擦電自驅(qū)動(dòng)人工嗅覺系統(tǒng)對(duì)生物體的作用，該團(tuán)隊(duì)通過手術(shù)將電極植入到正常小鼠腦內(nèi)的初級(jí)體感皮層中，初級(jí)體感皮層可以對(duì)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究團(tuán)隊(duì)假設(shè)，從該裝置輸入到初級(jí)體感皮層的信號(hào)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(yīng)的行為反應(yīng)（如轉(zhuǎn)身、逃跑等行為），行為反應(yīng)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(duì)自供電器件進(jìn)行重新驅(qū)動(dòng)，由此形成自驅(qū)動(dòng)電刺激和行為變化的閉環(huán)。

研究人員促使嗅覺傳感器器件產(chǎn)生形變，使其產(chǎn)生摩擦電，模擬了環(huán)境中的危險(xiǎn)氣味信息，發(fā)現(xiàn)小鼠受到刺激后身體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。隨著器件繼續(xù)產(chǎn)生形變，小鼠身體的偏轉(zhuǎn)角度增大。上述情況說明，器件產(chǎn)生了足夠的電信號(hào)來刺激大腦，促使大腦對(duì)行為做出改變，也就是說，該實(shí)驗(yàn)可以模擬對(duì)外界潛在嗅覺刺激的規(guī)避。

上述閉環(huán)系統(tǒng)在重建或增強(qiáng)感覺障礙患者的感覺能力方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。未來科研人員可以開發(fā)和應(yīng)用新的材料體系，設(shè)計(jì)更靈敏、使用壽命更長的氣味檢測系統(tǒng)。不過，雖然目前該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)可以規(guī)避有毒的揮發(fā)性氣體，但是還不能完全代替人體的嗅覺系統(tǒng)。要想應(yīng)用到臨床上解決嗅覺失靈的問題，研究團(tuán)隊(duì)還有很長的路要走。