感知“新五官”，仿生电子学

大自然是优秀的“工程师”，在漫长的进化过程中让动物、植物和微生物都获得了各自的感知系统。以人类为例，五官和皮肤通过视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉，将外界刺激转化为神经脉冲电信号，使我们能够感知世界。

人体感觉系统及仿生电子系统的示意图。图片来源：Adv. Mater.

大自然也是科学家的灵感源泉。仿生电子传感器的发展，模拟人类的感知系统，检测来自世界的各种刺激，并且在灵敏度、选择性和准确性方面逐渐超越人类的感官水平，帮助人们了解未知的世界，方便我们的日常生活。

身边的传感器。图片来源于网络

近日，韩国成均馆大学（SKKU）Tae-il Kim课题组在Advanced Materials 杂志上发表综述，作为内封面文章，回顾了人工感知系统的迅速发展，从五感的角度总结了电子传感器的现状，并展望了可穿戴或植入式电子设备、智能假肢和机器人的未来发展。

当期封面。图片来源：Adv. Mater.

人类通过五种感觉（视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉）和四种受体（化学受体、光受体、机械受体和热受体）感知世界。比如，鼻子和舌头，通过化学受体提供嗅觉和味觉；眼睛通过光受体接收视觉信息；皮肤通过高灵敏度的机械受体产生触觉，而最敏感的机械感受器存在于内耳毛细胞中，它负责声音的传导；真皮和器官利用热受体，检测寒冷和温暖。此外，一些生物物种通过不寻常的感觉（如湿度和磁场）感知世界，甚至有科学家认为，人类的“第六感”与磁场存在着潜在的联系 ^[1]。仿生电子学，通过模拟人类的感知器官和原理，成为我们的“新五官”。

实验装置示意图。图片来源：eNeuro ^[1]

视觉

有研究称，外部世界80%以上的信息通过眼睛（视觉）传递给大脑。利用半导体光电探测器（如光电二极管和光电晶体管），可以将光学信号转换为电信号，其最直接的应用便是数码相机。虽然数码相机是模仿眼睛的成功例子，但它并没有完全实现眼睛的功能，其平面CCD阵列需要通过光学透镜消除各种像差，而眼睛中晶状体的半球形的，可以捕捉广角、高分辨率和低像差的图像。一些昆虫甚至进化出复眼，拓宽观测视角。

视觉传感系统启发的电子产品。图片来源：Adv. Mater.

摄影爱好者通过鱼眼镜头的透镜，实现了180°的超广角。而研究者们却尝试将光电探测器转移到弹性体上，建立半球焦平面阵列。这种生物启发方法，不仅使得简单光学元件具有了优越的成像能力，弯曲的光电探测器阵列消除了对复杂和昂贵的光学元件要求，为降低镜头成本提供了可能的方法。

鱼眼镜头下的视角。图片来源于网络

听觉

在哺乳动物的耳朵中，声波在空气中传播，使耳膜以精确的频率和振幅振动，并通过耳骨传到耳蜗毛细胞，将振动信号放大几百倍，并转换为电信号。有研究者利用压电材料作为毛细胞来模拟耳蜗系统，当膜在亚微米尺寸弯曲时，超薄的压电薄膜产生压电势，将声音信号转换为电信号。摩擦电材料也被用来模拟耳朵，通过静电感应原理，将空气中的声音振动放大并转换。磁性纳米颗粒也可以模拟听觉机制，通过磁场的微弱改变，实现振动转换。3D打印活细胞水凝胶技术的兴起，更使得“仿生耳”看起来更像人耳。

听觉传感系统启发的电子产品。图片来源：Adv. Mater.

与人类相比，动物的对振动的感知更为敏感。比如蜘蛛，便是最敏感的生物物种之一，为了捕捉猎物，可以觉察到由昆虫引起的蜘蛛网上微小的振动，这得益于其髋关节特殊的裂缝结构。有研究者受此启发，研发出高灵敏度的振动传感器，可以检测到振幅仅为10纳米的微小振动。

蜘蛛对振动敏感的原理。图片来源：Nature ^[2]

嗅觉、味觉

化学受体负责感知嗅觉和味觉，在人类鼻子中，大约有400个功能性嗅觉受体（Olfactory Receptors，ORs），形成了一个复杂的嗅觉感知网络，可以检测各类化学物质。舌头上的每个味蕾，由50-150个不同的味觉受体细胞组成，可以感知溶解在唾液中的苦、咸、酸、甜。化学家们制备了独特的化学传感器，电子鼻子利用FET栅极表面上靶向分子的相互作用引起的电位变化，将化学信号转换为电信号，可以直接检测目标物质；电子舌头则模拟生物细胞膜的结构，基于膜电位变化，感知味觉刺激。

嗅觉和味觉传感系统启发的电子产品。图片来源：Adv. Mater.

一方面，对人类来说，无气味的分子难以被感知，传感器可以弥补这一空白，比如钯（Pd）被广泛用作氢气（H₂）传感的功能材料。另一方面，人体的嗅觉和味觉对复杂气味和口味的感知具有组合和协同作用，这使得特异性检测、集成化过程中的电极干扰、更短的响应和恢复时间等问题依然成为研究焦点。

触觉

人体皮肤是最大的、也是最复杂的人体器官，它的神奇之处在于，不但可以感受微小的应力，还可以区分应变类型（拉伸、扭曲和压缩），检测附近的温度，甚至还有完善的自愈性能。因此，创造一个完整的人工皮肤需要模仿不止一个传感系统。

触觉传感系统启发的电子产品。图片来源：Adv. Mater.

电子皮肤是最近柔性和可伸缩器件研究中的热门话题，我们也不止一次报道过关于电子皮肤的科研进展（点击阅读相关：进展一、进展二）。研究者们从应力的感知、应变的判断、温度传感、柔性伸缩可穿戴、透气透水性能等各个角度模拟人类的皮肤，甚至将各种传感器集成化，制备了“智能假肢手”，同时实现各种功能。

电子皮肤在日常生活中的综合感知能力。图片来源：Nat. Commun.^[3]

其他

除了人类传统的视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉五种感官之外，一些动物和昆虫不同类型的感官系统也启发着研究者的思考。例如，蜜蜂独特的磁场传感器，为他们寻找到花蜜指明了路线；鱿鱼和章鱼可以感知周围环境，通过着色或身体扭曲进行伪装和隐藏。

更有意思的是，人体内各式各样的“传感器”，通过刺激神经元，将信号传递给中枢神经系统，用来进行分析和判断。随着神经科学的研究深入，研究者们开始模拟人体的信号刺激机制，希望可以将传感器产生的响应信号，直接注入并传输到神经接口。

人工感知系统的神经接口技术。图片来源：Adv. Mater.

“青出于蓝而胜于蓝”，以人体的感官系统为老师，我们如今已经可以制备出高精度和准确性的传感器，甚至超越了人类的感知范围。当然，到目前为止，大多数传感技术都是单独使用，集成化仍具有巨大的挑战性，比如联合使用导致刺激信号的相互干扰。另外，将人工传感器与大脑集成的技术还处于早期阶段。

仿生人工感知系统发展现状。图片来源：Adv. Mater.

从人眼激发的曲面光学元件、机械感应的振动传感器、到电子鼻子、舌头和电子皮肤，这些传感器仍在不断地开发和完善。这为生物医学和工程应用的研究提供了强大的技术支持和动力，更为智能假肢、智能器官以及类人机器人的发展提供了美好的前景。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Bioinspired Electronics for Artificial Sensory Systems

Yei Hwan Jung, Byeonghak Park, Jong Uk Kim, Tae-il Kim

Adv. Mater., 2019, 31, 1803637, DOI: 10.1002/adma.201803637

参考文献：

[1] Wang C X, Hilburn I A, Wu D A, et al. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from alpha-Band Activity in the Human Brain. eNeuro, 2019, DOI: 10.1523/ENEURO.0483-18.2019

https://www.eneuro.org/content/6/2/ENEURO.0483-18.2019

[2] Fratzl P, Barth F G. Biomaterial systems for mechanosensing and actuation. Nature, 2009, 462, 442-448. DOI: 10.1038/nature08603

https://www.nature.com/articles/nature08603#f1

[3] Kim J, Lee M, Shim H J, et al. Stretchable silicon nanoribbon electronics for skin prosthesis. Nat. Commun., 2014, 5, 5747. DOI: 10.1038/ncomms6747

https://www.nature.com/articles/ncomms6747#f5

（本文由小希供稿）