《Materials Today》：A piezo-tribo-pyroelectric artificial tongue for multimodal gustation and temperature perception
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柔性多模态人工舌系统通过整合压电、摩擦电和热电效应实现自供电液态识别与温度感知，准确率达99.7%和97.9%，为机器人液体识别和食品质量监测提供新方案。
刘子英|尹胜杰|谢一飞|钱伟琦|鲍成民|克里斯·R·鲍文|杨雅
中国科学院北京纳米能源与纳米系统研究所高熵能源材料与器件重点实验室，北京 101400，中国
摘要
人工味觉感知在推动机器人技术和食品科学方面具有巨大潜力，能够实现自动化和客观的风味分析。然而，其实际应用受到检测机制有限和对外部电源依赖性的限制，尤其是缺乏集成温度检测功能。在这里，我们开发了一种基于柔性聚酰亚胺基底的压电-摩擦-热电自供电人工舌头，采用悬臂梁结构。该设计采用了分层材料，包括铝、聚偏二氟乙烯和氟化乙烯丙烯，通过协同结合压电、摩擦和热电效应实现自主运行。该系统通过机器学习展示了卓越的性能，在恒定温度下对多种液体的分类准确率达到99.7%，并在变化的热条件下对液体温度的识别准确率仍保持在97.9%，成功实现了多模态和高灵敏度的感知能力。这些发现表明，我们的设计有效克服了现有关键限制，为机器人技术在液体识别、食品和饮料质量监测以及个性化营养管理方面的应用提供了前景。
引言
舌头是一个柔软且敏感的肌肉器官，可以通过各种受体和通道无缝整合多维信息，如味道和温度，从而实现高级的多模态感知。作为主要味觉器官，人类舌头可以感知和区分五种基本味道：甜、酸、苦、咸和鲜味[1]。产生味觉信号有两种方式：一种是味觉化学物质与受体结合使细胞去极化；另一种是钠离子或氢离子通过离子通道检测水溶性物质。此外，舌头上还有数千个机械受体[2]，它们可以获取温度和重量等多维信息，并将其传递给大脑，从而实现高级的多模态感知。然而，这种复杂的综合感知机制非常难以人工复制。
模仿人类舌头感觉机制的方法包括传统的电子舌头特定靶向结合系统，如适配体[3]和酶[4]，它们具有选择性的离子通道。通过控制特定粒子的通过，可以通过阻抗或电位测量来检测离子化合物[5]、[6]。然而，生物传感元件（如响应化学和热刺激的瞬时受体电位（TRP）通道）可以实现完整的人工舌头感知系统；然而，通常需要在大规模上整合和组合各种信号[7]。这使得它们不适合用于紧凑或便携式设备。此外，现有的人工舌头上的传感器阵列往往受到味觉受体种类的限制[8]，这缩小了可识别化合物的范围，并严重降低了它们在动态现实环境中的适用性。
最近的研究表明，基于摩擦纳米发电机（TENGs）的液体识别有望成为电子舌头的新设计方案[9]、[11]、[13]。这包括利用TENGs破坏水中的氢键网络来检测蔗糖浓度[10]，或通过调节界面电子结构来量化葛根素水平[12]。这些进展展示了TENGs在敏感、自供电分析特定化学成分方面的潜力。然而，它无法完全复制生物味觉感知的整体和综合特性。人类味觉感知本质上是化学和热感觉的融合[15]。此外，温度会通过改变分子的挥发性和粘度以及受体的敏感性来调节味道。基于TENG的系统的根本局限性在于它们依赖于单一的转换模式，主要是接触充电过程。这种单模式设计无法捕捉到化学身份和热线索对感知味道的综合效应。虽然温度可能在持续或升高条件下影响摩擦电输出[14]，但这种效应与温度在生物味觉中的直接、感知整合作用不同。因此，现有的TENG系统缺乏解释由液体或环境温度变化驱动的整合感知体验所需的多模态架构。
将化学成分、物理性质和热特性等多种感官信息整合到紧凑系统中仍然具有挑战性。特别是在高效设备中有效捕获这些多数据流尤为困难。现有系统中通常缺乏温度传感功能，或者温度传感是通过具有固有限制的辅助组件实现的。本研究设计了一种基于柔性聚酰亚胺（PI）的悬臂梁结构自供电人工舌头。通过整合叠加的功能层，它能够同时产生压电、摩擦和热电信号，揭示了这些信号背后的机制。这些信号在时间域中自然分离，以便独立识别和分析，从而模仿人类舌头的多层次识别机制。它可以直接响应各种刺激，并捕获每个测试样本的全面特征信息。这种多效应融合机制使系统能够为各种液体样本构建完整而丰富的特征谱，充分展示其核心特性。通过使用随机森林分类器分析不同时间点的多模态信号，系统最终实现了与人类感知相当的识别准确率。由于摩擦电、压电和热电效应本质上会在刺激下产生电荷，这种自供电策略克服了传统电子舌头的关键缺点，包括检测能力、高功耗需求以及无法考虑温度变化的问题。除了其直接功能外，该平台的设计为仿生传感的基础研究开辟了新的途径，并为食品行业的转化应用提供了巨大潜力。该系统的成功实施有效地弥合了基本机器感知与类似人类的高级味觉辨别之间的差距。这一能力不仅能够实现精细的食品化学和安全感官分析，还为智能食品评估和质量控制开辟了新的范式。
部分摘录
自供电多维仿生舌头
人类舌头的复杂感知源于多模态受体和三叉神经的联合效应，这些效应被传递到大脑进行分析。味蕾乳头是专门用于检测甜、酸、苦、咸和鲜味等基本味觉模式的结构。同时，三叉神经末梢遍布口腔黏膜，作为关键的温度受体，如图1a所示。这些神经末梢具有高度敏感性
结论
我们的人工软舌头借鉴了舌头的复杂感觉系统，通过集成系统整合了味觉和温度传感器，实现了多模态和高灵敏度的感知。基于这一生物学概念，我们设计了一种能够通过自供电多信号机制运行的人工舌头，该机制结合了压电、摩擦和热电效应。在机器学习网络的支持下，该系统成功执行信号处理
液体和原材料的测试
白醋（水塔醋，6°）、白葡萄酒（贵月龙山，50°）、苹果醋（海天）、NaCl、咖啡悬浮液、味精溶液、糖、泡茶、苦瓜水、人工甜味剂溶液和蜂蜜水都是使用食用盐、黑咖啡、味精、白砂糖、茶叶、苦瓜片、食品级赤藓糖醇、蜂蜜和超纯水制备的；材料的详细制备方法在补充说明中有描述作者贡献声明
刘子英：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据管理。尹胜杰：撰写——审阅与编辑、可视化、正式分析、数据管理。谢一飞：撰写——审阅与编辑、正式分析。钱伟琦：撰写——审阅与编辑、正式分析。鲍成民：方法论。克里斯·R·鲍文：撰写——审阅与编辑。杨雅：撰写——审阅与编辑、资源管理、方法论、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
利益冲突声明
本工作得到了中国科技部的国家重点研发项目（项目编号2021YFA1201604）的支持。
