機器人也能“品味人生”?“人造舌頭”登上《Science》子刊,可“品嘗苦澀、分辨生熟”

機器人也能“品味人生”?“人造舌頭”登上《Science》子刊,可“品嘗苦澀、分辨生熟”

舌頭是我們最柔軟、最靈活,更是最敏感的身體部位之一,其上有著成千上萬的機械受體、味覺受體和離子通道。模擬出舌頭的味覺感知能力,無疑是仿生制備中一項重要嘗試。目前的人造舌頭研究,多基於脂質/聚合物膜、人味覺受體或者剝離上皮細胞。但是這些研究仍處於初級階段,選擇性低、檢測范圍窄。

【研究成果】

近日,韓國蔚山國傢科學技術研究所的 Hyunhyub Ko團隊模擬人體澀味感知的機制,設計瞭一種基於水凝膠柔軟人造舌。該工作發表在《Science Advance》上,題為:“Soft and ion-conducting hydrogel artificial tongue for astringency perception”。這種人造舌頭檢測范圍廣(1-0.0005 wt%)、靈敏度高(0.292 wt%-1)、響應時間短(~10s),可以有效檢測出飲料中的澀味程度和水果的成熟度。這項研究為仿真機器人開發和味道監控設備發展提供瞭有力的研究基礎。

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【圖文解析】

1. 澀味可檢測傳感器的工作原理。

舌頭的表面附著一層數百微米的唾液薄膜,在味覺感知中,它可以幫助溶解味覺成分並使它們能夠與體細胞結合或更有效地流過離子通道。

澀味的感知是基於口腔中唾液蛋白苦味單寧酸(TA)之間相互作用的,這類多酚與蛋白質結合後形成不溶性的復合物,沉淀在口腔中而引起口腔幹燥,最終引起舌頭上唾液層的破裂而刺激機械感受器,並向大腦傳遞信號、感知澀味。

作者們巧妙地利用瞭這些天然原理,在柔性聚合物基材表面引入柔軟而薄的水凝膠薄膜來模仿舌頭表面的唾液層,從而達到人工制備“舌頭”的目的。

在這層水凝膠中,以聚丙烯酰胺為三維網絡,粘蛋白模擬天然唾液蛋白,氯化鋰作為電解質。當TA擴散到水凝膠中時,與粘蛋白結合形成聚集體,對水凝膠中微孔施加張力而導致原始的微米孔壁被撕裂,建立起納米孔結構,使水凝膠結構發生變化,從而導致離子導電率的變化。

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(A)人舌的澀味感測原理的示意圖。(B)人造舌的照片和人造舌的澀味感測原理的示意圖。(C)在暴露於TA之前水凝膠的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。(D)暴露於1wt%TA 60秒後水凝膠的SEM圖像;(C)和(D)中的插圖是放大的SEM圖像,分別顯示瞭微米孔和微米/納米孔。

 

2. 粘蛋白和TA的結合機理。

粘蛋白是一種啞鈴狀蛋白,主要在人體中起到潤滑粘液層的作用。當在聚丙烯酰胺水凝膠中存在的大量粘蛋白,粘蛋白聚合物通過物理纏結均勻地整合在PAAm水凝膠網絡中。當粘蛋白聚合物與TA混合時,大的粘蛋白-TA沉淀物的形成導致表面粗糙度(8.8 nm)的增加。通過傅裡葉變換紅外(FTIR)和拉曼光譜學觀察到粘蛋白和TA的化學組成和鍵合。在1644和1550 cm-1粘蛋白的特征振動峰對應於蛋白質的酰胺I和酰胺II。在存在TA的情況下,由於與TA結合後粘蛋白的骨架構象發生變化,酰胺I和酰胺II譜帶移向更高的波數(1650和1554 cm-1)。拉曼光譜也可以提供粘蛋白的其他結構信息。1657 cm-1處的酰胺I帶主要歸因於肽羰基的拉伸C=O,但用TA處理後,酰胺I的帶移至1670 cm-1,表明粘蛋白的二級結構發生瞭變化。

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(A)粘蛋白的示意圖。(B)分散在PAAm水凝膠網絡中的粘蛋白聚合物的SEM圖像;插圖是孔邊緣的放大部分。(C)(i)粘蛋白和(ii)粘蛋白與TA的混合物的FTIR光譜。(D)(i)粘蛋白和(ii)粘蛋白與TA的混合物的拉曼光譜。au,任意單位。

 

3. 柔性人造舌的設計。

為瞭制造人造舌,作者設計瞭一種柔性化學阻滯傳感器,使用仿唾液水凝膠作為柔性基底上的活性層。由於進入的味覺化合物被吸收並在人造舌頭內部擴散,因此水凝膠需要足夠薄才能達到較短的擴散時間,同時還必須足夠厚以防止來自外部環境因素的有害幹擾。此外,異種水凝膠和電極之間的界面應緊密且共形。聚萘二甲酸乙二酯(PEN)由於其化學和熱穩定性(由於存在兩個稠合的芳環而產生)而被用作柔性基材。在氧等離子體處理之後,極性羥基和羧基的形成使PEN具有親水性,從而使唾液狀水凝膠能夠附著在基質上。矽烷修飾後的基材表面直接進行紫外聚合,將一定厚度的水凝膠錨定在基材上。柔性電極在20mm至2mm的彎曲距離內保持穩定的電阻(〜4 ohms),並且在2mm彎曲距離下可進行500次多次彎曲循環。

初始狀態時,由於水凝膠微孔的親水性,限制瞭電解質鋰離子的流動,人造唾液膜處於低電導率狀態,此時水凝膠中大微孔平均孔徑為16.7 μm。一旦暴露於TA,粘蛋白與TA的復合物在水凝膠內部形成疏水性納米通道,產生較小的微孔(〜1.3 μm)和納米孔(〜211 nm),使鋰離子可以快速流動,從而增強瞭離子通過分層多孔結構的快速運輸,增強瞭水凝膠的導電率。

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(A)柔性澀味傳感器的制造過程。(B)TA處理前澀味傳感器工作原理示意圖(左);水凝膠中的親水性微孔(中);放大的孔壁顯示瞭靜電相互作用,限制瞭離子流(右)。(C)TA處理後的澀味傳感器的工作原理示意圖(左);水凝膠中的分層微/納米孔(中);疏水納米孔的放大孔壁顯示瞭離子流的增強(右)。

 

4. 人造舌的傳感器性能。

為瞭研究人造舌頭的感測性能,作者檢測瞭相對電流變化與TA濃度的關系。可見接觸TA後10s內電流迅速增加並達到飽和。這種現象是由於粘蛋白與TA之間的高適配性以及人造舌頭中粘蛋白數量一定造成的。測試可見,暴露60s後,該人造舌頭在0.0005 – 1 wt% 的TA濃度范圍,具有0.292 wt%-1的線性敏感度。這種性能在大多數以往研究中非常罕見,使得這項研究更加的貼近實際應用。

作者接著對檢測的可靠性進行瞭表征,人造舌頭對兩種未知濃度的TA溶液的測量值與紫外可見吸光度的測量值僅相差0.42%和0.1%。另外,對其他類型的多酚衍生物,同樣展現瞭優異的檢測效果。對於真實飲料的澀味評估,作者采用瞭葡萄酒和茶作為測試材料,結果表明該人造舌頭可以敏感地檢測出不同種類的葡萄酒和不同沖泡時間的紅茶。此外,這種人造舌頭還展現出瞭良好的長期穩定性和溫差穩定性。

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(A)人造舌頭電流的變化(ΔI / I0)與TA濃度的函數關系。(B)多酚衍生物的分子結構:(i)GA,(ii)CAT,和(iii)TA。(C)用5 mM的三種不同多酚衍生物處理60 s時,人造舌頭展現的通用感測能力。(D)暴露60 s後測得的人造舌頭對五種基本口味和澀味的選擇性感測性能;所有味道均為5mM。(E)監控真實飲料的澀味:白酒,玫瑰酒,紅酒和沖泡時間不同的紅茶。(F)人造舌頭監測性能的長期穩定性和初始電流。[(A)以及(C)至(F)] 中的數值均為三至五個樣本的平均值和SD。

 

5. 人造舌的應用。

作者最後模擬真實舌頭的舔舐品嘗過程,考驗瞭人造舌的舔舐檢測性能。未成熟的果實含有大量的多酚類化合物,使果實澀口。其中,未成熟的柿子含有大量的水溶性單寧酸,引起澀味。在成熟過程中,由於單寧酸的聚合和縮合,水溶性單寧酸成為水不溶性單寧酸,導致柿子不澀。作者使用人造舌“舔舐”水果的各個部位,如果核、果肉和果皮,發現該人造舌頭可以敏感地分辨出成熟與未成熟水果的區別。

機器人也能“品味人生”?“人造舌頭”登上《Science》子刊,可“品嘗苦澀、分辨生熟”
(A)真人舌和人造舌舔舐和檢測的示意圖。(B)未成熟柿子的澀味檢測:(i)未成熟柿子的照片和(ii)未成熟柿子的不同部分的電流變化。(C)成熟柿子的澀味檢測:(i)成熟柿子的照片和(ii)成熟柿子不同部位的電流變化。(D)五滴1 wt%TA的滴落的人造舌頭陣列示意圖以及所得人造舌頭的味覺映射。(E)以0.1和1 wt%的TA和相應的味覺映射;用於味覺映射的感測元件(D和E)的尺寸對於每個像素為6×10 mm。

 

【總結展望】

在這項工作中,作者受天然人類“品味”機制啟發,仿生制備瞭一種人造舌頭。該人造舌展現出種種非凡的檢測分辨能力。可以通過在柔性基底上進行便捷的UV聚合來制備,並具有非凡的感應功能,為諸如味覺分辨、評估,味覺障礙治療以及仿真機器人制造提供瞭非常有力的研究基礎。

全文鏈接:

https://advances.sciencemag.org/content/6/23/eaba5785

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