站長資訊網摩擦會產生什么?每一個物理及格的人都會說：摩擦生熱!不過，要是告訴你摩擦還能產生嗅覺，會不會有黑科技的感覺?
近日，《Nano Energy》(納米能量)發表了一項最新研究：An artificial triboelectricity-brain-behavior closed loop for intelligent olfactory substitution。該研究基于納米發電原理和嗅覺受體的功能，實現了對不同氣體分子的識別。這項研究具有極為廣泛的應用前景，為嗅覺受體功能替代以及新型神經刺激和腦機接口提供了新方法和新思路。
(圖片來源：Elsevier)
嗅覺有多重要？
嗅覺是一種重要的感覺：動物會以聞一聞對方身上味道的方式來“相識”;警犬聞一聞犯罪嫌疑人的物品可以幫助警察破案。
對人而言，嗅覺的重要性更是不言而喻：嬰兒聞到媽媽特有的味道會感到安心;香噴噴的飯菜讓人食指大動;氣味宜人的環境有助于改善睡眠……
嗅覺也起到至關重要的“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泄漏;變質的食物散發的難聞氣味提醒人們不要誤食;地下勘探時異樣的氣味也是危險的信號。
我們是怎么聞到味道的？
哺乳動物嗅覺系統主要由嗅上皮、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，由幾百個基因調控，這些感受器位于嗅感覺神經元上并可以感受氣味。
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束，經過篩板進入嗅球，與嗅球內的神經元建立聯系。
脊椎動物嗅上皮的一般構造(圖片來源：作者手繪)
嗅球是傳遞和處理嗅覺信號的初級中樞，內部的細胞分層結構如下圖。
哺乳動物嗅球內細胞的分層結構：M代表僧帽細胞， T代表叢狀細胞， S代表短軸突細胞， P代表球周細胞， G代表顆粒細胞(圖片來源：中國知網)
一個嗅球中有多個嗅小球，嗅小球在嗅球中的排列位置固定，如果將嗅感覺神經元比作一個捕獲氣體的容器，那么每個容器只裝一種氣體，而這一種氣體只能被投放在固定的一個或兩個嗅小球中，再傳入到僧帽細胞，最后分別投射到嗅皮層各區域。
嗅球與前腦連接，實現了對捕食，求偶等多種肢體行為的間接控制。嗅覺系統還能識別有毒氣體，促使大腦對行為作出調控，使人逃離險境。
所以，嗅球是哺乳動物嗅覺感知的第一中轉站，若嗅球功能受損，嗅覺信號傳遞受到阻礙，信號無法傳遞到嗅覺中樞，嗅覺中樞則不能對氣味進行識別和認知，嗅覺便會失靈。那么，如果有人嗅覺受損，要如何才能彌補呢?答案是：發電。
發電和嗅覺之間還有關系？
還記得小學自然課上的一個 “魔術”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電荷。摩擦生電的本質就是物體接觸之后再分離，就會有電荷在接觸表面發生轉移。
基于這個原理，研究團隊選用了制作簡便、價格低廉、無毒無害的聚合物材料：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會吸附一些氣體分子，使得其表面發生改性，從而影響摩擦發電過程，例如：四磺酸酞菁銅(CuPcTs)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CuPcTs摻雜的聚吡咯的吸附電子的能力，減小了摩擦電流的輸出。根據摩擦電流的輸出量，我們可以判斷出空氣中丙酮的濃度。大概的示意圖如下：
如果想進一步區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)，組裝成多個氣體傳感單元后，通過對比各個傳感單元的摩擦電輸出，就能分辨出當前環境下都有哪些氣體存在，濃度各是多少。
人工嗅覺系統是如何運作的？
基于以上原理，研究團隊設計了閉環可穿戴系統，實現了人工嗅覺感知。
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作過程，該裝置通過產生摩擦感應信號來檢測揮發性化學物質(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。這種逃逸的動作使可穿戴的電子器件發生形變(彎曲變形)產生摩擦電，電流被器件檢測后再驅動器件繼續工作。因此，行為——摩擦生電——大腦——行為過程可以形成一個閉環。
閉環示意圖(圖片來源：Elsevier)
可穿戴柔性電子器件示意圖(圖片來源：Elsevier)
摻雜不同摻雜劑/表面活性劑的傳感元件對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，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識別。
(圖片來源：Elsevier)
為了測試摩擦電自驅動人工嗅覺系統對生物體的作用，該團隊通過手術將電極植入到正常小鼠腦內的初級體感皮層中，初級體感皮層可以對運動行為進行調節。研究團隊假設，從該裝置輸入到初級體感皮層的信號可視為攜帶環境大氣信息的輸入，大腦分析大氣信息并做出相應的行為反應(如轉身、逃跑等行為)，行為反應會使可穿戴的電子器件發生形變產生摩擦電，又可以對自供電器件進行重新驅動，由此形成了自驅動電刺激和行為變化的閉環。
(圖片來源：Elsevier)
研究人員促使嗅覺傳感器器件產生形變，使其產生摩擦電，模擬了環境中的危險氣味信息，會發現小鼠受到刺激，身體發生偏轉。器件繼續產生形變，會觀察到小鼠身體的偏轉角度增大。上述情況說明，器件產生了足夠的電信號來刺激大腦，促使大腦對行為做出改變，也就是說，該實驗可以模擬對外界潛在嗅覺刺激的規避。
結語
上述閉環系統在重建或增強感覺障礙患者的感覺能力方面具有潛在的應用價值。未來科研人員可以開發和應用新的材料體系，設計更靈敏、使用壽命更長的氣味檢測系統。
不過，雖然目前該系統在實驗中證實可以規避有毒的揮發性氣體，但是還不能完全代替人體的嗅覺系統。要想應用到臨床上解決嗅覺失靈的問題，研究團隊還有很長的路要走。
