首个仿生触觉-味觉感受器

研究背景

仿生学通过模拟将对生命的研究与实践相结合，极大地促进了人工智能的发展。机器的物体识别能力是一个有用的特性，它为机器提供了一条替代人类感官过程的道路，从而促进机器与现实世界的互动和感知。然而，深度卷积神经网络受限于复杂的算法，而热导技术的功耗和方法耗时较长。现有的物体识别程序大多功能相对单一，使得同时检测味觉和触觉变得相当困难。为了完成这一任务，研究人员尝试将多种传感器类型集成到单个设备中。然而，这需要复杂的制造工艺和外围电路。此外，这些传统的固态技术大多依赖于电子载体，这不利于离子神经递质在生物体内的传输，而且还需要较高的工作电压。因此，开发可直接利用传感器产生的信号进行物体识别的低功耗、多感官和生物兼容系统是非常必要的。

有机电化学晶体管(OECTs)是一种非常有前景的有机晶体管，其共扼聚合物通道与电解质直接接触，并通过离子掺杂和掺杂进行调制。这一特性使其能够作为低工作电压(<1 V)的换能器放大器，通过体离子电子相互作用确保生物与电子之间的交互界面。由于其独特的优势，如柔软性、低工作电压和生物兼容性， OECTS 已被应用于多种生物电子学，如生物传感、细胞监测和神经形态计算。遗憾的是，OECTs 的大尺寸使其难以实现高器件密度，从而阻碍了其在并行信号记录和处理方面的进一步应用。这是因为离子液体的流动特性和凝胶的柔软性给电解质图案化带来了挑战，导致所有制造的晶体管共享离子。

研究成果

人类的感官感受器能够毫不费力地感知现实世界。因此，人们一直致力于开发能够识别物体的仿生感受器。然而，现有的大多数设备仅限于单一的感官模拟，并且建立在固态电子技术基础上，与电解质介质中发生的生物反应不兼容。中国科学院化学研究所刘云圻院士课题组介绍一种使用全聚合物电化学晶体管 (AECT)的离子电子触觉-味觉感受器。该传感器具有良好的生物相容性，工作电压为0.1 V，比目前报道的电压值低1到2个数量级。通过这项研究，一个受体能够准确识别人类触觉和味觉系统感知的各种物体，而无需复杂的电路。此外，为了促进其进一步应用，还制作了通道长度为2um、密度为104 167 个/cm2(良率为97%)的柔性AECT 阵列比相关工作高出1至5个数量级。最后，成功构建了用于心电图记录的柔性集成网络。这项研究向最先进的仿生传感器迈进了一步。相关研究以“Bionic Tactile-Gustatory Receptor for Object Identification Based on All-Polymer Electrochemical Transistor”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Fabrication process of all-polymer ECTs.

Figure 2. Micropatterns and electrical properties of AECTs.

Figure 3. Tactile-gustatory receptor for object identification.

Figure 4. High-density AECT arrays fabricated via the integrated strategy.

Figure 5. Flexible logic gates and ECG recording based on AECTs.

总结与展望

为了识别物体，作者结合AECTS 和TENGS 制造了一种仿生触觉-味觉感受器。与传统的基于固态技术的传感器相比，该传感器提供了生物与电子之间的交互界面。为了模拟触觉感受器我们将手指与 AECTs 的栅极相连。此外，由于固有的电子损耗和增益能力，人的手指在与各种材料接触时会携带不同的电荷，这可以作为 AECTS 的栅极电压。根据这一特性，AECTS能够识别被触摸的材料，如 PET、硅、PTFE、铝和合金。此外，通过在 PVA 电解液中添加不同的味道剂，AECTs 还被用于模拟味觉感受器，以识别基本味道。“由于不同味素的信号变化，通过分析电流变化的范围，如 0.03±0.01、0.1±0.02、0.04±0.01和 0.42±0.05 分别代表苦味、咸味、酸味和甜味，实现了味觉识别的功能。然后以 NaCI 溶液为对照刺激验证味觉适应行为。结果表明，在长时间暴露于咸味环境下，小鼠对咸味的感知灵敏度逐渐降低，这与人类舌头的动态适应相似。此外，为了促进OECT的进一步应用，作者提出了一种制造高密度 AECT的集成策略。开发了一种栅电介质图案化的沟槽保留方法，即沉积 PVA 电解液，然后洗掉沟道层上多余的PVA，只保留沟道内的PVA控制层。通过优化器件几何结构和引入172 nm紫外光刻技术，精确制备出 Lch 为2um、Wch 为20um 的AECTs。这一创新使得 AECT 阵列的密度达到104 167 个/cm2，比之前报道的数值高出1到5个数量级。所制备的 AECT的良率为 97%，并表现出优异的器件间一致性，最大 gm 值的标准偏差仅为 3.76%。此外通过在柔性 PI 薄膜上集成AECTS，构建了柔性逻辑门和心电图网络，这些器件在机械弯曲后没有发生实质性变化，性能非常优异。据我们所知，这是第一项利用 AECTS 进行物体识别的工作，其器件密度超过105 个/cm2。因此，我们相信这项工作为 OECTS的未来应用带来了巨大的前景。

文献链接

Bionic Tactile-Gustatory Receptor for Object Identification Based on All-Polymer Electrochemical Transistor

https://doi.org/10.1002/adma.202300242

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