文章来自“科学大院”大众号
作者：吕丹
冲突会发作什么？每一个物理及格的人都会说：冲突生热！不过，要是告知你冲突还能发作嗅觉，会不会有黑科技的感觉？
近来，《Nano Energy》（纳米能量）宣布了一项最新研讨：An artificial triboelectricity-brain-behavior closed loop for intelligent olfactory substitution。该研讨依据纳米发电原理和嗅觉受体的功用，完成了对不同气体分子的辨认。这项研讨具有极为广泛的使用远景，为嗅觉受体功用替代以及新式神经影响和脑机接口供给了新方法和新思路。
（图片来历：Elsevier）
嗅觉有多重要？
嗅觉是一种重要的感觉：动物会以闻一闻对方身上滋味的方法来“相识”；警犬闻一闻犯罪嫌疑人的物品能够协助差人破案。
（图片来历：veer图库）
对人而言，嗅觉的重要性更是显而易见：婴儿闻到妈妈特有的滋味会感到安心；香馥馥的饭菜让人食指大动；气味迷人的环境有助于改进睡觉……
嗅觉也起到至关重要的“警示器”效果：闻到加在天然气中四氢噻吩的滋味，就要赶忙查看管道是否有走漏；蜕变的食物发出的难闻气味提示人们不要误食；地下勘探时异常的气味也是风险的信号。
咱们是怎样闻到滋味的？
哺乳动物嗅觉体系主要由嗅上皮、嗅球、嗅皮层三部分组成。
嗅觉感触器在鼻腔上端的嗅上皮内，由几百个基因调控，这些感触器坐落嗅感觉神经元上并能够感触气味。
嗅觉感触器的一端向嗅上皮外表杰出，其结尾向粘液中伸出许多纤毛感触气味，很像水草在水中摇晃的姿态。嗅觉感触器的另一端则汇成神经束，经过筛板进入嗅球，与嗅球内的神经元树立联络。
脊椎动物嗅上皮的一般结构（图片来历：作者手绘）
嗅球是传递和处理嗅觉信号的初级中枢，内部的细胞分层结构如下图。
哺乳动物嗅球内细胞的分层结构：M代表僧帽细胞, T代表丛状细胞, S代表短轴突细胞, P代表球周细胞, G代表颗粒细胞（图片来历：我国知网）
一个嗅球中有多个嗅小球，嗅小球在嗅球中的摆放方位固定,假如将嗅感觉神经元比作一个捕获气体的容器，那么每个容器只装一种气体，而这一种气体只能被投放在固定的一个或两个嗅小球中，再传入到僧帽细胞，最终别离投射到嗅皮层各区域。
（图片来历：Elsevier）
嗅球与前脑衔接，完成了对捕食，求偶等多种肢体行为的直接操控。嗅觉体系还能辨认有毒气体，促进大脑对行为作出调控，使人逃离险境。
所以，嗅球是哺乳动物嗅觉感知的榜首中转站，若嗅球功用受损，嗅觉信号传递遭到阻止，信号无法传递到嗅觉中枢，嗅觉中枢则不能对气味进行辨认和认知，嗅觉便会失灵。那么，假如有人嗅觉受损，要怎么才干补偿呢？答案是：发电。
发电和嗅觉之间还有联络？
还记得小学天然课上的一个 “戏法”吗？用丝绸冲突玻璃棒，然后玻璃棒居然能够将碎纸屑粘起来。本来，被丝绸冲突过的玻璃棒带正电荷，被毛皮冲突过的橡胶棒带负电荷。冲突生电的实质便是物体触摸之后再别离，就会有电荷在触摸外表发作搬运。
依据这个原理，研讨团队选用了制造简洁、价格低廉、无毒无害的聚合物资料：聚二甲硅氧烷（PDMS）和聚吡咯衍生物（Ppy derivates）。聚吡咯衍生物的外表会吸附一些气体分子，使得其外表发作改性，然后影响冲突发电进程，例如：四磺酸酞菁铜（CuPcTs）掺杂的聚吡咯更简略吸附丙酮分子，吸附在聚吡咯外表的丙酮分子改动了CuPcTs掺杂的聚吡咯的吸附电子的才能，减小了冲突电流的输出。依据冲突电流的输出量，咱们能够判别出空气中丙酮的浓度。大约的示意图如下：
（图片来历：作者手绘）
假如想进一步区分出空气中都有哪些气体分子，那么就需要制造能够吸附不同气体分子的聚吡咯衍生物（如硝酸掺杂的聚吡咯更简略吸附甲醇分子），组装成多个气体传感单元后，经过比照各个传感单元的冲突电输出，就能分辨出当时环境下都有哪些气体存在，浓度各是多少。
人工嗅觉体系是怎么运作的？
依据以上原理，研讨团队规划了闭环可穿戴体系，完成了人工嗅觉感知。
简略来说，可穿戴的电子嗅觉传感器能够模仿嗅觉上皮组织的运作进程，该设备经过发作冲突感应信号来检测挥发性化学物质(气味分子如硫化氢，氨气，酒精等)，并将检测到的气体信息传送到大脑。大脑操控身体做出特定的行为，例如逃离有毒的气体。这种逃逸的动作使可穿戴的电子器材发作形变（曲折变形）发作冲突电，电流被器材检测后再驱动器材持续作业。因而，行为——冲突生电——大脑——行为进程能够构成一个闭环。
闭环示意图（图片来历：Elsevier）
可穿戴柔性电子器材示意图（图片来历：Elsevier）
掺杂不同掺杂剂/外表活性剂的传感元件对特定气体气氛的检测具有选择性，而同一种掺杂剂的传感原件对不同的气体也有不同的敏感度。这些传感元件能够在嗅觉检测器中构成传感元件阵列，它能够输出像编码相同的传感信号，不同的编码代表着不同的气体和浓度，这些编码乃至还能够被手机辨认。
（图片来历：Elsevier）
为了测验冲突电自驱动人工嗅觉体系对生物体的效果，该团队经过手术将电极植入到正常小鼠脑内的初级体感皮层中，初级体感皮层能够对运动行为进行调理。研讨团队假定，从该设备输入到初级体感皮层的信号可视为带着环境大气信息的输入，大脑剖析大气信息并做出相应的行为反响（如回身、逃跑等行为），行为反响会使可穿戴的电子器材发作形变发作冲突电，又能够对自供电器材进行从头驱动，由此构成了自驱动电影响和行为改动的闭环。
（图片来历：Elsevier）
研讨人员促进嗅觉传感器器材发作形变，使其发作冲突电，模仿了环境中的风险气味信息，会发现小鼠遭到影响，身体发作偏转。器材持续发作形变，会观察到小鼠身体的偏转视点增大。上述情况阐明，器材发作了满足的电信号来影响大脑，促进大脑对行为做出改动，也便是说，该试验能够模仿对外界潜在嗅觉影响的躲避。
结语
上述闭环体系在重建或增强感觉妨碍患者的感觉才能方面具有潜在的使用价值。未来科研人员能够开发和使用新的资料体系，规划更活络、使用寿命更长的气味检测体系。
不过，尽管现在该体系在试验中证明能够躲避有毒的挥发性气体，可是还不能彻底替代人体的嗅觉体系。要想使用光临床上处理嗅觉失灵的问题，研讨团队还有很长的路要走。
作者单位：中科院深圳先进技术研讨院
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