传感器应用科学家团队使用了类似唾液的化学抗性离子水凝胶锚定在柔软的基材上，形成柔软的人造舌头，该传感器基于简单的擦拭和检测方法检测饮料和水果中的涩味程度。

人造舌头具有检测五种基本味觉的能力，因此受到越来越多的关注，但是直到现在，科学家们仍无法在实验室中完全启用类似于人类舌头的仿生技术。

为了模仿人类舌头般的涩味感，Jeonghee Yeom和韩国蔚山国立科学技术学院能源工程与化学工程的科学家团队使用了类似唾液的化学抗性离子水凝胶锚定在柔软的基材上，形成柔软的人造舌头。他们将构建体暴露于涩味化合物，并允许疏水聚集体在微孔网络中形成，将其转变为具有改善的离子电导率的微/纳米孔结构。他们使用独特的人类舌头状结构，检测到单宁酸（TA）的光谱范围广（0.0005至1重量百分比），具有高灵敏度和快速响应时间。

作为概念证明，该传感器基于简单的擦拭和检测方法检测饮料和水果中的涩味程度。该平台将在类人机器人中具有强大的未来应用，并且作为味道监测设备，其研究成果现已发表在《科学进展》上。

水凝胶人造舌传感器

舌头是一个肌肉器官，它是身体最柔软、最灵活、最敏感的部位之一，含有一系列的机械感受器和离子通道。一层几百微米厚的唾液薄膜可以保持舌头的水分，它含有99%的水、电解质、免疫球蛋白和分泌蛋白的混合物。唾液在味觉感知过程中起着重要作用，它能溶解味觉物质，使其与受体细胞结合或有效地通过离子通道流动。人类可以区分五种基本的口味，包括甜、酸、苦、咸和鲜味。水溶性味觉可以通过味觉感受器细胞或离子通道检测，这些味觉感受器细胞结合味觉化学物质产生甜、苦和鲜味感觉后去极化产生电信号。对于咸味和酸味，这一过程取决于钠或氢离子通过离子通道的流动。

人类可以通过接触主要存在于未熟水果、葡萄酒和茶中的多酚来感觉到涩味。它们是一种强抗氧化剂和消炎物质，但能引起负面的营养影响或在高剂量下致死。由于摄入的收敛剂和覆盖舌头的鼠尾草蛋白有很强的关联性，所以可以检测到收敛剂。在口腔内，收敛剂可以与分泌的蛋白质结合，形成不溶性沉淀物，收缩上皮，造成干燥、皱褶的感觉。到目前为止，生物工程师还没有开发出一种完全灵活和柔软的人造舌头，用于选择特定的收敛剂。

在这项工作中，研究人员通过引入一种软性水凝胶人造舌，模拟了人类的收敛感知机制。它们受到人类舌头上唾液薄层的生物启发，通过共价键合在柔性聚合物基底上形成同样柔软和薄的水凝胶膜。

人造舌中含有黏蛋白作为分泌蛋白，氯化锂（LiCl）、聚丙烯酰胺（PAAm）和三维多孔聚合物网络以方便电解质的流动。200微米的软水凝胶厚度相当于人类舌头上的唾液层，有助于收敛剂的有效吸附和扩散。例如，研究人员实验中使用了鞣酸（TA），当TA扩散到水凝胶基质中时，进入的TA分子与粘蛋白结合和复合形成疏水性聚集体。这一过程将微孔凝胶转变为具有增强离子导电性的分层微孔或纳米孔结构。该结构能成功地检测出真实饮料的涩味程度，并能有效地监测水果的成熟度。

涩味可检测传感器的工作原理。

人造舌头具有极高的稳定性

研究人员还利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱研究了粘蛋白与单宁的结合机理，并对其化学组成进行了研究。粘蛋白的振动峰对应于酰胺Ⅰ和酰胺Ⅱ的蛋白带，结合单宁引起背景构象的变化。为了设计一种使用唾液状水凝胶和柔性电极基底的柔性化学电阻传感器，科学家们使用聚（乙烯萘酸酯）（PEN），然后通过氧等离子体处理形成亲水（亲水）PEN表面，以有效地将表面附着到唾液状PAAm水凝胶网络。然后，他们在紫外线（UV）聚合下使用化学锚定剂在基底之间进行共价键合。

在其作用机理中，流动的LiCl离子在三维微孔网络中使人工唾液膜表现出中等的导电性，而电解质粘附在亲水微孔上，离子输运能力差。研究人员将TA引入人工舌中，粘蛋白和TA复合形成疏水性聚集体，增强了离子在整个层次孔隙结构中的传输，这种转变通过增加离子导电性促进了收敛性感知。研究小组通过监测不同浓度TA下电流的相对变化来量化感官表现。

该传感器具有传感范围宽、灵敏度高等优点，在实际应用中具有许多潜在的优势。为了测试真正饮料的收敛性，科学家们使用了三种不同的葡萄酒，包括红色、玫瑰色和白色，以及不同酿造时间的红茶。与之前的TA一样，他们监测了特定的电流变化，以评估标准的收敛性，红酒由于其单宁的浓度而具有最高程度的收敛性。

科学家们随后考虑了传感器在实际应用中的稳定性。为了防止主要由水组成的唾液样水凝胶脱水，他们在人造舌头上采用了LiCl作为导电和保湿剂。人造舌由于其粘液成分的存在，在较宽的温度范围内表现出稳定的传感性能。虽然人的舌头可以通过舔来检测化合物的痕迹，但人造舌头检测微量分析物的能力有限。相比之下，新研制的收敛性传感器直接分析液体分析，通过一个擦拭和检测方案在一个灵活的擦拭过程中内置传感器装置。研究小组随后用这种装置对未成熟的柿子进行了测试，这种水果自然含有大量的单宁，以唤起涩味。当他们把人造舌头贴在柿子的心上时，他们发现柿子的收敛性相对较高。果实成熟后，其收敛性相对较低。新装置检测到不同程度的收敛性，因此可以作为一种基于特定区域内电变化的便携式味觉测量装置。

通过这种方式，杨正熙和他的同事开发了一种人造舌头，完全受人类感知机制的启发。他们利用在柔性基底上的紫外聚合制备了实验结构，以观察非凡的传感能力。这种类似人类舌头的装置具有很宽的感应范围和低的检测浓度限制，以及对其他特定口味的高选择性。研究小组将该装置暴露于收敛剂化合物中，并记录了其作用机理。他们打算进一步优化构成人工构建物的蛋白质，以提高其普遍的传感能力。人造舌头传感器的杰出成果使其在味觉量化或评价、味觉障碍研究以及仿人机器人内部的集成等方面具有吸引力。

翻译自https://phys.org/news/2020-06-soft-ion-conducting-hydrogel-artificial-tongue.html

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