柔性器件-具有感应，记忆和自我保护功能的人工嗅觉系统

得益于生物感官系统的自然进化，嗅觉系统作为六种基本的感官系统之一，是人类提供来自复杂自然环境的气味信息的有力武器。嗅觉感受器、大脑功能区、肌肉之间的相互协调作用，不仅可以对气味刺激进行感知、识别和记忆，还能对某些特殊气体进行相应的反应。人工嗅觉系统由于其在未来的人工鼻，类人机器人和下一代人机界面中的重要应用而受到越来越多的关注。然而，完全模拟人类嗅觉系统识别，记住并诱导刺激性气味引起的肌肉运动仍然是一项挑战。

中科院半导体所Guozhen Shen课题组联合吉林大学Wei Han课题组设计了一款具有完整嗅觉行为的柔性人工嗅觉系统。该系统集成了Sr-ZnO基气体传感器、HfOx基忆阻器和电化学致动器，不仅实现了NH3刺激的感知和识别，还可实时存储NH3信息并模拟了刺激气体诱导的“捂鼻”自我保护行为。这些功能的实现无需用于数据分析和信息存储的繁琐信号处理电路。

人工嗅觉系统对于氨气的行为响应

图1. 生物和人工嗅觉系统的整体比较：(a) 人体嗅觉系统的三部分：嗅觉受体、脑中枢和肌肉；(b) 气体触发气体传感器响应以改变其分压；(c) 忆阻器被打开以记忆气体信息，然后触摸控制激活人工肌肉执行器收缩 (d)。

图2. Sr-ZnO基气体传感器的示意图与性能

图3. HfOx基忆阻器的性能及其与气体传感器连用时的高、低组态切换机制

图4. (a) 嗅觉系统与人工肌肉电子系统的配置；致动器的夹层结构 (b) 和表面形态(c)；(d - g) 集成传感器和忆阻器对不同浓度氨气的；(h) 致动器的响应与运动

图5.仿生鼻的示意图与其对不同浓度氨气的响应

作者设计了一个人工嗅觉系统，该系统模仿了人类嗅觉系统的四个功能：气味识别，感知，记忆和保护动作行为。Sr-ZnO基气体传感器可检测并识别出氨气刺激信号，并转换为电压信号，然后将其传输到HfOx基忆阻器，用于存储氨信息并激活电化学致动器以完成“捂鼻”的自我保护运动。这三个柔性设备的集成构成了一个完整的嗅觉系统，模仿了人体在闻到刺激性/毒性气体时的自我保护行为。该系统在将来还可以扩展至对多种气体的感测、记忆与行为响应，但也需要优化致动器完成保护动作的时间响应。

【参考文献】

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521003359#!

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