综述：受五种感官启发的传感器
2026-05-17 09:41:34 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本综述旨在聚焦哺乳动物五种关键感官中发生的转导反应，探索这些转导原理如何用于新型人工器件的设计，并阐明与现有传感器系统集成的潜力。文中重点介绍了从传感器到动作电位的转导过程。

许多可穿戴设备都集成了多种传感器，可将人体重要生理参数反馈至中央系统。尽管已有许多人工传感器，但医疗可穿戴设备面临的最大挑战在于如何连接并利用人体自身的复杂感知网络所产生的“大数据”集，从而实现对II型糖尿病等给社会造成沉重经济负担疾病的早期诊断、治疗与预防。如今，控制论与医学正携手合作，共同应对这一系列新挑战——致力于开发出更加智能化、直观化且小型化的传感器，使其能够与人体自身的感知系统实现无缝交互。

据麦姆斯咨询报道，罗马尼亚Grigore T. Popa医药大学和NovioSense公司的研究团队在Electroanalysis期刊上发表了题为“Sensor Devices Inspired by the Five Senses: A Review”的综述文章。本综述旨在聚焦哺乳动物五种关键感官中发生的转导（transduction）反应，探索这些转导原理如何用于新型人工器件的设计，并阐明与现有传感器系统集成的潜力。文中重点介绍了从传感器到动作电位的转导过程。

嗅觉

鼻子能辨别出的每一种气味，都是一种独特的“指纹”，由多种挥发性化合物协同作用，共同形成特定的嗅觉感知。人类嗅觉系统对数百种纳摩尔浓度的小分子具有敏感性，这使得人鼻能够区分数千种不同气味。有气味的物质会向空气中释放挥发性化合物，这些化合物进入鼻腔后，嗅觉器官会探测到这些分子，并产生气味反应。

嗅觉受体（OR）是一类对多种气味分子具有亲和力的蛋白质。在人体中，数百万个受体聚集于鼻腔内，形成鼻上皮。而对于昆虫而言，嗅觉受体则位于触角等外部结构中。当气味分子与受体结合时，会产生动作电位并传递至大脑。气味分子可通过与多个独特的嗅觉受体结合，构建出独特气味的复杂“指纹”。正是这种对同一受体的竞争性结合特性，才使得嗅觉成为一种极其动态且独特的感官。

人类嗅觉系统

在过去的几十年里，科学家们试图模仿嗅觉来设计“人工鼻”，用于化妆品、制药工业、环境控制、制造业、临床诊断、食品饮料行业等领域中挥发性物质的分析控制。电子气味检测传感器就是一个很好的例子，包括不同类型的传感器，例如固态电解质传感器、金属氧化物（MOx）传感器、半导体聚合物传感器、导电电活性聚合物传感器、光学传感器、表面声波（SAW）传感器和电化学气体传感器。

电子鼻的通用结构包括三个部分：采样装置、检测系统/传感器阵列（用于感知化合物并引起传感器物理和/或电学性质的变化）以及处理单元（用于分析电输出信号）。电子鼻已广泛应用于工业及环境质量控制领域，在医疗保健和医学诊断领域也开始出现新的应用。人体每天会释放大量的挥发性有机化合物，例如呼吸和汗液中的成分。这些挥发性有机化合物可用作疾病和健康问题的生物标志物。电子鼻正是为感知呼出的挥发性化合物并解读有关健康和疾病的信息而设计。

人嗅觉受体功能化单壁碳纳米管场效应晶体管传感器

基于肽受体的生物电子鼻

味觉

味觉是味觉受体细胞（TRC）顶端微绒毛发生级联反应的结果。数百个味觉受体细胞聚集形成味蕾，而味蕾又聚集成洋葱状的结构，称为舌乳头。人类舌头上主要有三种舌乳头：菌状乳头、叶状乳头、轮廓状乳头，分别位于舌尖、舌侧和舌根。尽管单个味觉受体细胞通常能对多种味道以及温度和触觉刺激作出反应，但文献中公认的五种基本味觉为：甜、酸、咸、苦、鲜。通常有两种味觉转导机制：一种是通过第二信使机制进行；另一种则是味觉物质分子直接构建细胞信号来实现。其中，咸味和酸味通过通道蛋白直接转导，而鲜味、甜味和苦味则通过第二信使机制进行转导。

脊椎动物味觉信号转导

味觉是食物分子与分布在舌头上的复杂受体系统之间发生物理化学相互作用的结果。味觉传感器（又称电子舌）是一种能够分析多组分混合物的装置。根据用途不同，电子舌可以区分不同的味道并检测被分析物的浓度。电子舌的工作原理是将来自特定、非特定以及具有交叉敏感性的传感器信号与模式识别技术相结合。它通常使用由不同材料（例如金属、导电聚合物、酞菁薄膜）制成的电位/电流型化学传感器以及生物传感器。电子舌传感器能够检测人类舌头受体所能识别的相同有机和无机化合物，每个传感器会根据所检测的化合物发生特定的级联反应。来自不同传感器的互补信息被处理为味觉的“指纹”，电位/电流变化被记录为模式识别系统的电输出。

基于微电极阵列（MEA）的味觉传感器

视觉

人眼由一系列将入射光聚焦到视网膜上的晶状体和一个将光刺激转换为电信号的受体光转导级联组成。转导反应发生在称为感光细胞的特殊神经元中，这些细胞位于视网膜的最内层。感光细胞分为两种类型：视锥单极神经元和视杆单极神经元。两者都含有嵌入其尖端细胞膜的独特光色素。哺乳动物的人眼拥有三种不同类型的视锥神经元，用于彩色视觉，以及一种视杆神经元，用于无色视觉（黑白视觉）。三种视锥细胞：S、M和L细胞，分别负责转换短波长光（蓝光）、中波长光（绿光）、长波长光（红光）。它们集中在视网膜的中央凹——视网膜表面的一个小凹陷处。视锥细胞在在强光照射下表现最佳，而视杆细胞则在昏暗条件下表现最佳，它们位于中央凹周围，但不在中央凹上。

动物视杆细胞光循环示意图

果蝇的横纹状光转导级联反应

在光电子学、神经科学、图像采集设备和图像信号处理等领域，色敏和光响应器件的开发至关重要。对于视力受损者而言，植入体旨在替代受损的器官，将外部世界的光信号转化为电脉冲，并传递至大脑进行最终解析。目前的研究表明，有几种旨在恢复视力的神经元刺激策略。根据采用的方法不同，已经开发出不同类型的视觉假体。假体系统根据其在视觉通路中的位置，可分为皮层植入体、视神经植入体或视网膜植入体。通常，植入体由一系列电极组成，理论上恢复视力的分辨率与电极数量相关。

视网膜假体结构示意图

触觉

皮肤能够感知多种不同的感觉，例如压力、皮肤拉伸、振动和温度。每一种感觉都由不同类型的感受器检测，这些感受器专门用于感知特定的刺激：温度感受器感知温度变化，伤害感受器感知疼痛，机械感受器感知触觉，光感受器和化学感受器则分别感知光线和化学物质。这些感觉感受器广泛分布于皮肤和上皮组织、骨骼肌、骨骼与关节、内脏器官以及心血管系统中。

触觉传感器是一种能够响应接触力并通过物理接触获取触觉信息的装置，其可测量的特征包括温度、振动、柔软度、质地、形状、成分、剪切力和法向力。触觉传感器能够测量两个物体接触时的局部相互作用参数。触觉感知不仅涉及垂直于某一区域上的力分布检测，还包括对相应信息的解读。人类的触觉远比预期复杂，许多方面仍在研究之中。尽管如此，科研人员仍持续致力于研发能够执行“机械转导（mechanotransduction）”的人工触觉传感器，将施加的物理力转化为电信号。同时，还投入了大量精力开发合适的软件来处理收集到的刺激。触觉传感器作为生物系统中的机械感受器，其目的是收集周围环境的信息。人工触觉传感器可按所采用的转导原理分类，目前主流的技术手段主要包括：电容式、压阻式、压电式、磁式、光电式以及应变式。

电子皮肤