摩擦會產(chǎn)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(chǎn)生嗅覺，會不會有黑科技的感覺?

近日，《Nano Energy》(納米能量)發(fā)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(fā)電原理和嗅覺受體的功能，實現(xiàn)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(jīng)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(huán)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(zhì)的食物散發(fā)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(tǒng)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(nèi)，由幾百個基因調(diào)控，這些感受器位于嗅感覺神經(jīng)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(jīng)束，經(jīng)過篩板進入嗅球，與嗅球內(nèi)的神經(jīng)元建立聯(lián)系。

脊椎動物嗅上皮的一般構(gòu)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(nèi)部的細胞分層結(jié)構(gòu)如下圖。

哺乳動物嗅球內(nèi)細胞的分層結(jié)構(gòu)：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(wǎng))

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(jīng)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(qū)域。

嗅球與前腦連接，實現(xiàn)了對捕食，求偶等多種肢體行為的間接控制。嗅覺系統(tǒng)還能識別有毒氣體，促使大腦對行為作出調(diào)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(zhuǎn)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(fā)電。

發(fā)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(zhì)就是物體接觸之后再分離，就會有電荷在接觸表面發(fā)生轉(zhuǎn)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(fā)生改性，從而影響摩擦發(fā)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(jù)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(qū)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(huán)境下都有哪些氣體存在，濃度各是多少。

人工嗅覺系統(tǒng)是如何運作的？

基于以上原理，研究團隊設計了閉環(huán)可穿戴系統(tǒng)，實現(xiàn)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(chǎn)生摩擦感應信號來檢測揮發(fā)性化學物質(zhì)(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(fā)生形變(彎曲變形)產(chǎn)生摩擦電，電流被器件檢測后再驅(qū)動器件繼續(xù)工作。因此，行為——摩擦生電——大腦——行為過程可以形成一個閉環(huán)。

閉環(huán)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(qū)動人工嗅覺系統(tǒng)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(nèi)的初級體感皮層中，初級體感皮層可以對運動行為進行調(diào)節(jié)。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(huán)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(zhuǎn)身、逃跑等行為)，行為反應會使可穿戴的電子器件發(fā)生形變產(chǎn)生摩擦電，又可以對自供電器件進行重新驅(qū)動，由此形成了自驅(qū)動電刺激和行為變化的閉環(huán)。

(圖片來源：Elsevier)

研究人員促使嗅覺傳感器器件產(chǎn)生形變，使其產(chǎn)生摩擦電，模擬了環(huán)境中的危險氣味信息，會發(fā)現(xiàn)小鼠受到刺激，身體發(fā)生偏轉(zhuǎn)。器件繼續(xù)產(chǎn)生形變，會觀察到小鼠身體的偏轉(zhuǎn)角度增大。上述情況說明，器件產(chǎn)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(guī)避。

結(jié)語

上述閉環(huán)系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)。

不過，雖然目前該系統(tǒng)在實驗中證實可以規(guī)避有毒的揮發(fā)性氣體，但是還不能完全代替人體的嗅覺系統(tǒng)。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。