一种生物集成味觉接口 “e-Taste”：开启 AR/VR 技术化学维度新篇章

为解决 VR/AR 技术中味觉缺失问题，研究人员开发 “e-Taste” 系统，可远程感知复制味觉，助力 AR/VR 发展。

　　在虚拟现实（VR）和增强现实（AR）飞速发展的时代，人们仿佛拥有了通往奇幻数字世界的钥匙。戴上设备，就能沉浸在美轮美奂的虚拟场景中，或是让虚拟信息与现实世界奇妙融合，听觉和视觉在这些虚拟体验中得到了极大的满足。然而，当人们在虚拟世界中 “大快朵颐” 时，却总感觉少了点什么 —— 那就是真实的味觉体验。

目前，大多数人机界面（HMIs）在 VR/AR 领域主要关注电生理、触觉、音频和视觉信号，涉及化学信号的研究少之又少。味觉作为人类感知系统的重要组成部分，在 AR/VR 体验中常常缺席。虽然此前有研究尝试实现数字生成味觉，但在定量味觉生成、可编程混合、传感器 - 执行器耦合操作、生物集成格式以及现场测试验证等方面，仍面临诸多挑战。比如，数字生成味觉缺乏标准化方法，直接的电刺激和热刺激模拟的味觉种类有限，化学释放策略在实施上也困难重重；舌头上味蕾分布不均，难以精准针对特定区域和味觉受体；现有研究多孤立地关注味觉感知或味觉增强系统，两者的集成耦合研究不足；而且现有的味觉接口结构笨重、刚性大，影响佩戴体验。

为了攻克这些难题，来自俄亥俄州立大学等机构的研究人员开展了一项重要研究，他们开发出一种生物集成味觉接口 ——“e-Taste”，相关研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员为了打造 “e-Taste” 系统，运用了多种关键技术方法。在硬件设计上，构建了基于电磁（EM）驱动的液体输送系统和灵活的微流体通道。通过精确的电磁控制，实现对味觉化学物质输送的精准调控；微流体通道则用于液体的路由、混合和管理，确保不同味觉物质能有效混合并输送至口腔。在信号传输方面，采用了无线通信技术，使传感器与执行器之间能够远程交互数据。同时，开发了具有多种传感策略的 “电子舌”，用于远程采集味觉信息。此外，还进行了大量的稳定性和安全性测试，运用有限元分析（FEA）等手段评估系统在机械、电气和热方面的性能。

下面来看看具体的研究结果：

1. EM 执行器的设计、工作原理和特性：执行器利用 EM 微型泵将浓度可控的味觉溶液输送到口腔。通过改变电流大小，可以调节隔膜的变形程度，进而控制液体的输送量和味觉化学物质的浓度。研究发现，随着电流从 0 增加到 180mA，隔膜变形增大，系统能在 10s 内完成液体输送。通过调整脉冲间隔时间，可使 H?、Mg2?、Na?、葡萄糖和谷氨酸等味觉相关化学物质达到不同浓度范围，从而实现多种味觉的模拟。
2. 灵活微流体用于液体路由、混合和管理的设计：微流体接口实现了多通道味觉物质的混合和输送。五通道系统包含样本储液器、互连通道和混合区，其独特的通道结构设计有效促进了液体的混合。通过控制不同通道的激活，能够实现可编程的混合操作，如不同颜色染料在混合通道中的混合展示了这一功能。
3. EM 驱动系统的稳定性和安全性评估：研究表明，“e-Taste” 系统在机械、电气和热方面表现出良好的稳定性和安全性。它能承受约 90° 的弯曲和 60° 的扭转，在超过 500 次的致动循环中，隔膜无塑性变形。通过脉冲驱动，系统的温度上升得到有效控制，并且磁场强度远低于安全阈值，在液体环境中也能稳定运行。
4. 用于远程获取味觉物质信息的无线电子舌：“电子舌” 作为 “e-Taste” 的重要组成部分，能够捕获目标中的味觉化学物质信息，并通过无线信号传输硬件与执行器相连。研究采用了多种传感策略检测不同味觉物质，如酶功能化传感器检测葡萄糖和谷氨酸，聚苯胺（PANI）或离子选择性膜（ISM）功能化传感器检测 H?、Na?和 Mg2?。化学组成复制实验验证了系统的可行性，但也发现传感器工作范围与人类感知范围存在不匹配的问题，研究人员提出了预稀释、算法辅助两步测量等解决方法。
5. 人体对单一和混合味觉感知的测试：在实际应用场景中，“e-Taste” 系统接受了实地测试。通过远程共享饮料味觉的实验，证明了系统在远程味觉传输方面的可行性。对单一酸味和混合味觉的人体测试结果显示，系统在复制味觉强度方面具有较高的准确性，且在混合味觉识别实验中也表现出色，能够让参与者较好地识别出模拟的不同食物味道。

研究结论和讨论部分指出，“e-Taste” 系统通过无线通信模块实现了传感器和执行器的耦合，为人类与远程世界的化学感官交互提供了可能。该系统不仅为 VR/AR 系统融入化学信号奠定了设计原则，还为沉浸式游戏、在线购物、远程教育、医疗康复等领域带来了新的应用前景。例如，对于味觉和嗅觉受损的患者，“e-Taste” 系统有望改善他们的营养摄入和生活质量。然而，该系统也存在一些局限性，如传感器在复杂环境中的交叉敏感性、通道残留问题以及对人类味觉感知模型的进一步优化等。未来的研究可以朝着应用交叉敏感性模型、改进通道设计和完善味觉感知模型等方向展开。

总之，“e-Taste” 系统的出现，为 AR/VR 技术开启了化学维度的新篇章，尽管还有一些需要完善的地方，但它无疑为相关领域的发展提供了重要的基础和方向，让人们在数字世界中体验更真实的味觉感受不再是遥不可及的梦想。