仿生学是探索生物系统的优秀特征，包括结构、特性、功能、能量转换和信息控制，并有效地应用于技术系统和工程的一门学科。柔性仿生传感器 (FBSs)作为一种传感平台，可以弯曲、拉伸、变形形状，在轻微的机械变形或特征变化下检测外部物理或化学刺激，如声音、压力、位移、温度或气味等。人类神经网络中多感官刺激的集成和交互促进了高级认知功能。其中，听觉系统可以检测、处理和存储环境中传输的动态声学信号，使通信高效而直接，并促进了人工听觉传感器的发展。人耳可以听到的声音频率的频率为20 – 20000 Hz，而低于该范围的是次声波。一些动物(水母和大象等)可借助于次声波进行信息交流和危险感知。在人类社会中，次声波广泛应用于医学、军事、工业和农业，以及海啸和地震等自然灾害预测。生物嗅觉系统是另一个重要的感官平台，能够对大量气味分子进行关键识别，赋予人类感知周围环境、评估和识别潜在危险的能力，这推动了光学鼻的出现。虽然有一些通过模仿听觉或嗅觉系统的电听觉或嗅觉传感器见诸报道，但目前在一个光学设备上集成对声音和气味的双峰响应仍然面临很大的困难。光响应双峰FBSs具有高精度、高稳定性、高灵敏度和易于制备的优点。开发用于听觉和嗅觉传感的光响应双峰FBSs在促进环境监测、灾害预警和医疗保健等方面非常有前景。
日前，我院闫冰教授团队巧妙地将仿生学思想融合于氢键有机框架光激活器件设计之中，制备出超灵敏的听觉-嗅觉光响应柔性仿生传感器，并能同时应用于物理刺激次声波与化学刺激挥发性气体的监测和双峰信息集成，相关研究成果以“Biomimetic Eu@HOF photoactivated sponge as ultrasensitive auditory and olfactory sensor for infrasound wave monitoring and bimodal information integration”为题在线发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2401395.)。
研究人员受嗅觉和听觉感知系统的启发，通过高效便捷的浸涂工艺，将氢键有机框架和三聚氰胺海绵融为一体，制备了一例听觉-嗅觉双峰FBS(Eu@HOF-BPTC@MS)。团队详细分析了Eu@HOF-BPTC@MS的听觉响应机制，该听觉传感器对声音具有超高灵敏度(41335.995 cps·Pa−1·cm−2)、超高精密度(RSD<0.20%)、超快响应时间(20 ms)、超低检测限(1.1039 Hz和0.1083 dB)和良好的可回收性(148次循环)。同时它可实时监测4 – 20 Hz内的次声波，并且通过有限元分析，研究人员模拟了其对声音的响应过程。此外，基于人工智能技术，团队研究了Eu@HOF-BPTC@MS嗅觉传感性能。作为嗅觉FBS，该传感器表现出优异的灵敏度，具有ppm水平的响应极限和对四种气味分子的理想选择性，并实现了可穿戴的现场实时检测。最后，通过人机交互，完成听觉和嗅觉信号的集成和互操作。总之，该双峰听觉-嗅觉FBS在实现双模态交互、模拟复杂的生物经系统以及促进环境监测、灾害预警和医疗保健等方面非常有前景。
(a) 声音和气味分子刺激的生物多感官整合神经系统；(b) Eu@HOF-BPTC@MS的制备；(c) 听觉传感器的声波和次声波传感；(d) 嗅觉传感器的气味分子传感
闫冰教授为论文的独立通讯作者，我院博士研究生朱凯为论文的第一作者，该研究工作得到国家自然科学基金项目的支持。
论文连接：https://doi.org/10.1002/adfm.202401395
