摩擦居然还能产生嗅觉

• 作 者: 润语
• 出 处: 奥秘
• 发表日期: 2020年10期
• 关键词: 嗅觉 摩擦 气体 吡咯 气味 玻璃棒

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破损；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。

我们是怎么闻到气味的

　　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，可以感受气味。

用丝绸摩擦玻璃棒，玻璃棒竟可以将碎纸屑粘起来。

脊椎动物嗅上皮的一般构造

　　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。
　　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。
　　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，由此形成自驱动电刺激和行为变化的闭环。
　　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，发现小鼠受到刺激后身体发生偏转。随着器件继续产生形变，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。
　　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。