食物摄入，包括吃和喝，是人类从婴儿期开始自然进行的主要活动之一，以吸收生存必需的营养物质，在此过程中，食物的味道在饱腹感中起着至关重要的作用，从而促进或抑制食欲。一般来说，人类的味觉由五种基本味道组成，包括甜、咸、酸、苦和鲜，由舌背以及喉部、咽部和会厌部分的化学刺激引起。作为人类五种典型感觉之一，包括视觉、听觉、触觉和嗅觉，味觉使我们能够避免危险的食物，并通过感知这些外部刺激来接近有益的事物，成为与周围环境沟通的独特而有效的渠道。味觉接口系统作为一种新型智能味觉生成技术，可以通过生成目标味觉向用户提供特定信息，在虚拟现实、增强现实和混合现实（VR/AR/MR）、临床治疗、娱乐、教育等众多应用中展现出巨大的潜力。与其他四种广泛报道的人类感觉反馈技术不同，迄今为止，基于化学、热、电刺激和离子电渗疗法等多种工作原理，科研工作者们仅开发了非常有限数量的味觉交互系统。在这些报道的味觉交互系统中，基于化学刺激的设备可以通过将调味化学品直接施加到人的舌头上来显示目标味道，其强度由化学品的数量决定。然而，由于化学品储存的严格空间要求而导致的笨重尺寸以及笨重的机械液体输送系统引起的长延迟时间极大地限制了应用领域。对于支持温度变化的味觉交互系统，可以通过将独特的温度分布应用到人的舌头上来刺激味觉。为了实现快速、准确的温度控制，需要高功率、重型冷却子系统和额外的温度传感器，这对系统稳定性、生物安全和控制面板的简化提出了很高的挑战。电刺激作为味觉交互系统采用的主流方法，通过控制进入人舌头的电功率的频率、强度和方向，能够显示五种基本味道。然而，位于舌头上或附近的电极贴片将不可避免地阻碍口腔内活动，从而降低饮食体验。此外，观察到的个体间味觉差异可能会导致味觉偏差。离子电渗疗法已成为克服上述缺陷的替代方案，其中离子电渗疗法利用离子通过生物安全水凝胶的运动来传输有味道的化学物质，从而在低电功率下实现稳定的味觉反馈。尽管这种新方法在生物安全、功耗、精确的味觉反馈和更自然的人机交互等方面比传统方法表现出了卓越的进步，但它在整体尺寸上仍然对便携性提出了巨大的挑战，为人们提供了丰富的口味选择。有限的工作区域，实现广泛的品味差异，在操作流程和指令方面支持人性化使用，实现智能系统远程操作。更重要的是，存在的障碍严重限制了味觉交互界面在VR/AR和MR应用中的发展。
香港城市大学Xinge Yu课题组、东京大学Takao Someya课题组、北京航空航天大学李宇航课题组和中国特种设备检验研究院赵召博士联合报告了一系列用于人工智能驱动的无线味觉交互界面的材料、算法、设备、机械、电子和集成策略，基于离子电渗操作原理的有味食品级化学品嵌入琼脂糖水凝胶作为味道源，通过调节电压输入可调节反馈强度和独立的操作时间。为了实现便携性和用户友好的操作，设备被小型化为带有9通道味觉发生器的味觉交互界面，尺寸为8cm×3cm×1cm。为了在Metaverse中实现味觉和嗅觉反馈，味觉接口系统中还引入了基于7通道气味发生器的嗅觉交互系统。因此，我们的新型味觉界面系统在智能医疗味觉评估、远程购物和混合现实方面的演示证明了它们在人机界面、生物医学和娱乐等各个潜在应用领域的进步和巨大进步。
图 1：新味觉界面系统的架构和操作。 (A) 在虚拟环境中向女性用户提供味觉反馈的味觉交互界面示意图。 (B) 9 通道 LGI 的分解图，其中包含每层的详细描述。 (C) 所采用的 5 mm、10 mm 和 15 mm 三种直径的琼脂糖基凝胶的光学图像。 (D) 9 通道 LGI 工作区域的光学图像。 (E) LGI 中使用的两个 FPCB 的光学图像。 (F) 工作 LGI 的光学图像，插入的子图显示出正确的使用方法。 (G) 3D 打印尼龙后盖在分布式外部压力下的机械刺激。 (H)味觉交互界面、VR眼镜和PC之间的无线操作过程。
图 2：9 通道味道接口的电学性能。 (A) 生成的美味溶液的质量与化学品类型、操作时间和电压输入的函数关系。 (B) 嵌入的有味化学物质的质量作为化学物质类型、操作时间和电压输入的函数。 (C) 流经 9 个 TG 通道的归一化电流作为工作时间的函数。 (D) 9 个 TG 通道的可食用的化学物质浓度与操作时间的函数关系。 (E) 9 个 TG 通道生成的可食用溶液的测量质量作为操作时间的函数。 (G) 数据拟合的数学模型将 9 个TG 通道产成的可食用化学物质的质量拟合为操作时间的函数。 (F) 9 个 TG 通道产生的可食用化学物质的测量质量作为操作时间的函数。 (H) 数据拟合的数学模型拟合了 9 个 TG 通道生成的可食用化学物质的质量，作为操作时间的函数。
图 3：TG 的生物安全性和稳定性。 (A, B) 基于糖 (A) 和柠檬酸 (B) 的 TG 通道渗出溶液的拉曼光谱。 (C) 氯化钠传感器对嵌入氯化钠的 TG 通道产生的溶液的电响应。 (D) 当 LGI 固定在商用振荡器上时，9 个 TG 通道的归一化电流作为振动频率范围从 0 到 5 Hz 的函数，恒定电压输入为 2 V。 (E) 基于西柚味道的 TG 通道的标准化电流作为 5 Hz 振动频率下操作时间的函数。 (F) 基于樱桃味道的 TG 通道之间的电压信号作为工作时间的函数，电压输入幅度和频率分别为 2 V 和 0.1 Hz。 (G) 电压输入为 2 V 时糖基 TG 通道的电流信号作为操作时间的函数，三种不同的充电时间范围为 10 s 至 30 s。 (H)三种不同尺寸和 9 种不同味道化学物质的所有组合琼脂糖凝胶在充电10s、20s、30s后的平均恢复时间。 (I) 9 个 TG 在三种不同环境温度（21°C、40°C 和 50°C）下在空气中暴露 1 小时后的重量损失。 (J) 环境温度50℃下两种储存方式(真空包装和露天)的9个TG的失重。 (K) 在环境温度21℃下对真空包装中储存的9个TG进行长期重量衰减监测。
图 4：OGCI 的结构和相应的志愿者测试结果。 (A) OGCI 的分解图，其中包含每个组件的详细说明。 (B) OGCI 的电路设计。 (C) 9 通道 LGI 和 OGCI 的光学图像。 (D,G) 10名志愿者分别使用9通道LGI(D)和OGCI(G)识别9种不同味道的识别率。 (E, H) 10 名志愿者分别使用 9 通道 LGI (E) 和 OGCI (H) 对产生的 9 种不同味道的反应时间。 (F, I) 训练混淆结果作为 9 通道 LGI (F) 和 OGCI (I) 味觉通道数的函数。 (J, K) 两个测试组志愿者的识别率 (J) 和响应时间 (K)（LGI 的纯味觉反馈和 OGCI 的气味/味觉反馈）对性别的函数。
图 5：新味觉界面的三个典型应用场景演示。 (A) 展示 9 通道 LGI 提供新的替代味觉评估方法 (Ai)，并在 Aii 中显示 6 名女性志愿者的评估测试结果。 9 个有品味的凝胶遵循图 2A 的设置。负分数表示错误识别，而正值表示正确识别。 (B) 9通道LGI在虚拟网购场景中向女性用户显示味觉反馈以提供身临其境的体验(Bi)以及三个TG通道(百香果、绿茶和柚子)的演示被一一打开，相应的操作时间与用户在虚拟环境（Bii）中的运动一致。 (C) OGCI 在基于 MR 的教育应用程序 (Ci) 中向用户提供气味和味道反馈的演示，其中一位母亲正在教她的儿子一些水果棒棒糖的味道和气味。在这里，由于MR的特性，用户可以体验五种基本的感觉反馈，包括味觉/嗅觉/触觉反馈(OGCI)，以及视觉/音频反馈(VR眼镜)(Cii)。在实际的MR应用中，用户在虚拟环境（Ciii）中利用OGCI体验四种不同的味道（糖、樱桃、牛奶和柚子）以及相应的气味，在此过程中糖、樱桃、牛奶的味觉和嗅觉通道会根据VR设备（Civ）收到的命令，依次打开相应通道。
作者开发了一系列棒棒糖形式的智能便携式味觉交互系统，支持虚拟环境中的味觉和嗅觉反馈。基于离子电渗疗法的工作原理，我们的LGI和OGCI可以通过编程，在7.1 cm2的小工作面积的9个TG通道中分别控制嵌入琼脂糖凝胶中的可食用化学物质的渗出强度和时间，为用户实现了小型化的结构设计。此外，新的味觉交互系统通过集成数据拟合的数学模型，可以根据每个 TG 通道的电流和运行时间实时记录味道生成率和渗出化学质量。通过设计三种不同的演示，包括临床味觉评估、沉浸式在线购物和具有五种基本感觉反馈的教育 MR 体验，我们的新味觉显示器系列展示了其在电气性能（响应时间、稳定性和抗干扰性）优于已报道的作品。其证明了其在人机界面、教育、娱乐和医疗诊断方面的巨大潜力。
【通讯作者】
于欣格，香港青年科学院院士，香港RGC Research Fellow，香港城市大学生物医学工程系副教授，香港心脑血管健康工程研究中心副主任，香港城大-中科院 机器人联合实验室副主任。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域中的应用，在Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Nature Electronics、Nature Communications、Science Advances等期刊发表论文160余篇。优秀青年科学基金（港澳）、《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。《Microsystems & Nanoengineering》《Bio-Design and Manufacturing》等10余部期刊副主编及编委。斯坦福top 2%高被引学者。
【第一作者】
刘一明，现在日本东京大学Prof. Takao Someya组JSPS博后，预计于2025年初入职澳门科技大学材料与工程学系担任助理教授、博士生导师。2022年于香港城市大学于欣格课题组获得博士学位。主要研究方向为柔性可穿戴人机交互系统的设计，以及其在健康医疗、信息反馈、虚拟现实等领域的应用。已主持了日本学术振兴会（JSPS）博士后科研基金。截止至2024年11月，已发表SCI论文60余篇，其中以第一作者身份在 《Nature Communications》 (2篇)、 《Science Advances》(1篇)、 《PNAS》 (1篇)、 《Advanced Science》 (1篇)、 《Nano Energy》 (2篇)、 《InfoMat》 (1篇) 等顶级杂志发表论文15篇，以共同第一作者身份在《Advanced Functional Materials》、《ACS Nano》、 《Nano Energy》、 《Advanced Healthcare Materials》等高影响力期刊发表论文13篇，总引用超过3300次，H因子为33，受理和授权中国/美国发明专利16项。申请人的多项研究成果被国内外知名媒体如EurekAlert、MIT Technology Review、Wearable Technologies等报道。
刘一明课题组现招2025年秋季2名博士生和1名科研助理，优先考虑有电气工程、生物医院工程、机械工程和材料科学等相关科研背景的硕士毕业生，感兴趣的同学可发送个人简历到邮箱：lyiming2-c@g.ecc.u-tokyo.ac.jp
【参考文献】
www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2412116121
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