机器人也能“品味人生”?“天然舌头”登上《Science》子刊,可“品味甜蜜、分辨生熟”
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  • 无人大飞机
  • 2020-06-11 14:34:29 9

舌头是人体中最为柔软、灵敏和敏感的部位之一,其表面分布着成千上万的机械受体、味觉受体和离子通道。模仿人类舌头的味觉感知能力,是仿生研究中的一个重要课题。目前,关于天然舌头的研究大多集中在脂质/聚合物膜、人味觉受体或剥离上皮细胞方面,但这些研究仍处于初级阶段,选择性和检测范围有限。

【研究成果】

最近,韩国蔚山国家科学技术研究所的Hyunhyub Ko团队,受人体涩味感知机制的启发,设计了一种基于水凝胶的柔软人造舌头。这项研究成果发表在《科学进展》杂志上,题目为“一种用于涩味感知的软离子导电水凝胶人造舌头”。这种人造舌头具有广泛的检测范围(1-0.0005 wt%)、高灵敏度(0.292 wt%-1)和快速响应时间(约10秒),能够有效检测饮料中的涩味和水果的成熟度。这一研究为仿生机器人开发和味觉监测设备的发展奠定了坚实的基础。

【图文解析】

  1. 涩味检测传感器的工作原理。

舌头表面覆盖着一层数百微米厚的唾液薄膜,这层薄膜在味觉感知中起到关键作用,它能溶解味觉成分,并使这些成分更好地与体细胞结合或通过离子通道流动。涩味的感知主要是通过口腔中唾液蛋白与苦味单宁酸(TA)之间的相互作用实现的。当多酚与蛋白质结合形成不溶性复合物时,会在口腔中沉淀,导致口腔干燥,进而刺激机械感受器并向大脑发送信号,感知涩味。研究团队借鉴了这些自然原理,利用柔性聚合物基材表面覆盖的一层柔软而薄的水凝胶薄膜来模拟舌头表面的唾液层。在这层水凝胶中,聚丙烯酰胺作为三维网络结构,粘蛋白模拟自然唾液蛋白,氯化锂则作为电解质。当TA分散到水凝胶中时,与粘蛋白结合形成聚集体,对水凝胶中的微孔施加张力,导致原始的微米孔壁撕裂,形成纳米孔结构,从而改变水凝胶的结构并影响其离子导电率。

[图1]展示了人体舌头涩味感知原理的示意图、天然舌头的照片及其工作原理、暴露于TA前后水凝胶的扫描电镜图像及放大图像。

  1. 粘蛋白和TA的结合机理。

粘蛋白是一种哑铃状蛋白质,主要作用是润滑粘液层。当大量粘蛋白存在于聚丙烯酰胺水凝胶中时,粘蛋白聚合物会通过物理缠绕均匀地整合在水凝胶网络中。当粘蛋白聚合物与TA混合时,形成的大型粘蛋白-TA沉淀物会导致表面粗糙度增加。通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)和拉曼光谱分析,可以看到粘蛋白和TA的化学组成和键合情况。在存在TA的情况下,由于与TA结合后粘蛋白的构象发生变化,酰胺I和酰胺II谱带移向更高的波数。拉曼光谱也提供了粘蛋白的其他结构信息。

[图2]展示了粘蛋白的示意图、分散在聚丙烯酰胺水凝胶网络中的粘蛋白聚合物的扫描电镜图像及放大图像、粘蛋白和粘蛋白与TA混合物的FTIR光谱及拉曼光谱。

  1. 柔性天然舌头的设计。

为了制造这种天然舌头,研究人员设计了一种柔性化学阻滞传感器,采用仿唾液水凝胶作为柔性基底上的活性层。水凝胶需要足够薄以缩短扩散时间,同时又需要足够厚以防止外部环境的干扰。此外,水凝胶与电极之间的界面应紧密且共形。聚萘二甲酸乙二酯(PEN)因其化学和热稳定性而被选为柔性基材。在氧等离子体处理后,PEN表面形成了极性羟基和羧基,使其具有亲水性,从而使唾液状水凝胶能够附着在其表面。通过紫外聚合,将一定厚度的水凝胶锚定在基材上。柔性电极在20毫米至2毫米的弯曲范围内保持稳定的电阻,并可在2毫米弯曲间隔下进行500次以上的弯曲循环。

[图3]展示了柔性涩味传感器的制造过程、暴露于TA前后的水凝胶工作原理示意图及放大图像。

  1. 天然舌头的传感器功能。

为了评估天然舌头的感测性能,研究人员测试了相对电流变化与TA浓度的关系。可见,接触TA后10秒内电流迅速上升并达到饱和状态,这归因于粘蛋白与TA之间的高适配性和天然舌头中粘蛋白数量一定。测试显示,暴露60秒后,该天然舌头在0.0005-1 wt%的TA浓度范围内,具有0.292 wt%-1的线性敏感度。这种功能在以往的研究中非常罕见,使得这项研究更加贴近实际应用。此外,天然舌头对两种未知浓度的TA溶液的测量值与紫外可见吸光度的测量值相差很小,对其他类型的多酚衍生物也表现出优秀的检测效果。在真实饮料的涩味评价实验中,天然舌头能够敏感地检测出不同种类的葡萄酒和不同冲泡时间的红茶。此外,这种天然舌头还展现出良好的长期稳定性和温度适应性。

[图4]展示了天然舌头电流变化与TA浓度的关系、多酚衍生物的分子结构、天然舌头对不同多酚衍生物的通用感测能力、天然舌头对五种基本口味和涩味的选择性感测功能、天然舌头对真实饮料的涩味监测、天然舌头的长期稳定性和初始电流。

  1. 天然舌头的应用。

研究人员还模拟了真实舌头的舔舐品尝过程,验证了天然舌头的舔舐检测功能。未成熟的果实含有大量的多酚类化合物,使其口感涩口。例如,未成熟的柿子含有大量水溶性单宁酸,引起涩味。在成熟过程中,由于单宁酸的聚合和缩合,水溶性单宁酸变为水不溶性单宁酸,导致柿子不再涩口。研究人员利用天然舌头“舔舐”水果的不同部位(如核、果肉和果皮),发现该天然舌头能够敏感地区分成熟与未成熟水果。

[图5]展示了真人舌头和天然舌头的舔舐和检测示意图、未成熟柿子的涩味检测、成熟柿子的涩味检测、五滴1 wt% TA的滴落示意图及所得天然舌头的味觉映射、不同TA浓度下的味觉映射。

【总结与展望】

在这项研究中,Hyunhyub Ko团队受自然人类“品味”机制的启发,仿生制备了一种具有出色检测能力的天然舌头。这种人造舌头可以通过在柔性基底上进行便捷的UV聚合来制备,并具备出色的感应功能,为味觉识别、评估、治疗味觉障碍以及仿生机器人的开发提供了重要的研究基础。

    本文来源:图灵汇
责任编辑: : 无人大飞机
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