舌头是我们最柔软、最灵活，更是最敏感的身体部位之一，其上有着成千上万的机械受体、味觉受体和离子通道。模拟出舌头的味觉感知能力，无疑是仿生制备中一项重要尝试。目前的人造舌头研究，多基于脂质/聚合物膜、人味觉受体或者剥离上皮细胞。但是这些研究仍处于初级阶段，选择性低、检测范围窄。
【研究成果】
近日，韩国蔚山国家科学技术研究所的 Hyunhyub Ko团队模拟人体涩味感知的机制，设计了一种基于水凝胶的柔软人造舌。该工作发表在《Science Advance》上，题为：“Soft and ion-conducting hydrogel artificial tongue for astringency perception”。这种人造舌头检测范围广（1-0.0005 wt%）、灵敏度高（0.292 wt%-1）、响应时间短（~10s），可以有效检测出饮料中的涩味程度和水果的成熟度。这项研究为仿真机器人开发和味道监控设备发展提供了有力的研究基础。
【图文解析】
1. 涩味可检测传感器的工作原理。
舌头的表面附着一层数百微米的唾液薄膜，在味觉感知中，它可以帮助溶解味觉成分并使它们能够与体细胞结合或更有效地流过离子通道。
涩味的感知是基于口腔中唾液蛋白与苦味单宁酸（TA）之间相互作用的，这类多酚与蛋白质结合后形成不溶性的复合物，沉淀在口腔中而引起口腔干燥，最终引起舌头上唾液层的破裂而刺激机械感受器，并向大脑传递信号、感知涩味。
作者们巧妙地利用了这些天然原理，在柔性聚合物基材表面引入柔软而薄的水凝胶薄膜来模仿舌头表面的唾液层，从而达到人工制备“舌头”的目的。
在这层水凝胶中，以聚丙烯酰胺为三维网络，粘蛋白模拟天然唾液蛋白，氯化锂作为电解质。当TA扩散到水凝胶中时，与粘蛋白结合形成聚集体，对水凝胶中微孔施加张力而导致原始的微米孔壁被撕裂，建立起纳米孔结构，使水凝胶结构发生变化，从而导致离子导电率的变化。
2. 粘蛋白和TA的结合机理。
粘蛋白是一种哑铃状蛋白，主要在人体中起到润滑粘液层的作用。当在聚丙烯酰胺水凝胶中存在的大量粘蛋白，粘蛋白聚合物通过物理缠结均匀地整合在PAAm水凝胶网络中。当粘蛋白聚合物与TA混合时，大的粘蛋白-TA沉淀物的形成导致表面粗糙度（8.8 nm）的增加。通过傅里叶变换红外（FTIR）和拉曼光谱学观察到粘蛋白和TA的化学组成和键合。在1644和1550 cm-1粘蛋白的特征振动峰对应于蛋白质的酰胺I和酰胺II。在存在TA的情况下，由于与TA结合后粘蛋白的骨架构象发生变化，酰胺I和酰胺II谱带移向更高的波数（1650和1554 cm-1）。拉曼光谱也可以提供粘蛋白的其他结构信息。1657 cm-1处的酰胺I带主要归因于肽羰基的拉伸C=O，但用TA处理后，酰胺I的带移至1670 cm-1，表明粘蛋白的二级结构发生了变化。
3. 柔性人造舌的设计。
为了制造人造舌，作者设计了一种柔性化学阻滞传感器，使用仿唾液水凝胶作为柔性基底上的活性层。由于进入的味觉化合物被吸收并在人造舌头内部扩散，因此水凝胶需要足够薄才能达到较短的扩散时间，同时还必须足够厚以防止来自外部环境因素的有害干扰。此外，异种水凝胶和电极之间的界面应紧密且共形。聚萘二甲酸乙二酯（PEN）由于其化学和热稳定性（由于存在两个稠合的芳环而产生）而被用作柔性基材。在氧等离子体处理之后，极性羟基和羧基的形成使PEN具有亲水性，从而使唾液状水凝胶能够附着在基质上。硅烷修饰后的基材表面直接进行紫外聚合，将一定厚度的水凝胶锚定在基材上。柔性电极在20mm至2mm的弯曲距离内保持稳定的电阻（〜4 ohms），并且在2mm弯曲距离下可进行500次多次弯曲循环。
初始状态时，由于水凝胶微孔的亲水性，限制了电解质锂离子的流动，人造唾液膜处于低电导率状态，此时水凝胶中大微孔平均孔径为16.7 μm。一旦暴露于TA，粘蛋白与TA的复合物在水凝胶内部形成疏水性纳米通道，产生较小的微孔（〜1.3 μm）和纳米孔（〜211 nm），使锂离子可以快速流动，从而增强了离子通过分层多孔结构的快速运输，增强了水凝胶的导电率。
4. 人造舌的传感器性能。
为了研究人造舌头的感测性能，作者检测了相对电流变化与TA浓度的关系。可见接触TA后10s内电流迅速增加并达到饱和。这种现象是由于粘蛋白与TA之间的高适配性以及人造舌头中粘蛋白数量一定造成的。测试可见，暴露60s后，该人造舌头在0.0005 – 1 wt% 的TA浓度范围，具有0.292 wt%-1的线性敏感度。这种性能在大多数以往研究中非常罕见，使得这项研究更加的贴近实际应用。
作者接着对检测的可靠性进行了表征，人造舌头对两种未知浓度的TA溶液的测量值与紫外可见吸光度的测量值仅相差0.42%和0.1%。另外，对其他类型的多酚衍生物，同样展现了优异的检测效果。对于真实饮料的涩味评估，作者采用了葡萄酒和茶作为测试材料，结果表明该人造舌头可以敏感地检测出不同种类的葡萄酒和不同冲泡时间的红茶。此外，这种人造舌头还展现出了良好的长期稳定性和温差稳定性。
5. 人造舌的应用。
作者最后模拟真实舌头的舔舐品尝过程，考验了人造舌的舔舐检测性能。未成熟的果实含有大量的多酚类化合物，使果实涩口。其中，未成熟的柿子含有大量的水溶性单宁酸，引起涩味。在成熟过程中，由于单宁酸的聚合和缩合，水溶性单宁酸成为水不溶性单宁酸，导致柿子不涩。作者使用人造舌“舔舐”水果的各个部位，如果核、果肉和果皮，发现该人造舌头可以敏感地分辨出成熟与未成熟水果的区别。
【总结展望】
在这项工作中，作者受天然人类“品味”机制启发，仿生制备了一种人造舌头。该人造舌展现出种种非凡的检测分辨能力。可以通过在柔性基底上进行便捷的UV聚合来制备，并具有非凡的感应功能，为诸如味觉分辨、评估，味觉障碍治疗以及仿真机器人制造提供了非常有力的研究基础。
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