Op grafeen gebaseerde kunstmatige tong bereikt bijna menselijk gevoel van smaak

Een team van onderzoekers rapporteren in de Proceedings of the National Academy of Sciences Op een nieuw op grafeen gebaseerd sensorontwerp dat, door machine learning, in staat was om een ​​bijna menselijk gevoel van smaak te ontwikkelen. Dit apparaat is de eerste in zijn soort die in een vochtige omgeving werkt, waardoor de omstandigheden in de menselijke mond beter benaderen.

De sensor beschreven in de papier werd gemaakt van meerdere lagen grafeenoxide, een materiaal dat bekend staat om zijn instelbare elektrische eigenschappen en hoge chemische reactiviteit, ingesloten in een nanofluïdisch apparaat.

Puur grafeen-dat voor het eerst werd geïsoleerd door Andre Geim en Kosta Novoslov, die ze in 2010 de Nobelprijs in de natuurkunde verdienen-is een materiaal gemaakt van een enkele laag koolstofatomen die samen in een roosterachtige structuur worden gebonden, en deze te geven met een reeks mechanische, elektrische en chemische eigenschappen.

Net als grafeen verandert grafeenoxide zijn elektrische geleidbaarheid bij blootstelling aan verschillende chemicaliën. De onderzoekers gebruikten deze eigenschap om elektrische variaties in de sensor te meten toen deze werd blootgesteld aan een bemonstering van 160 chemicaliën, elk geassocieerd met een uniek smaakprofiel. Met behulp van deze gegevens kon een machine-learning-algoritme een ‘geheugen’ van smaken maken.

Dit leerproces is analoog aan de manier waarop het menselijk brein signalen van onze smaakpapillen interpreteert wanneer ze reageren op chemicaliën in ons voedsel. Er werd al lang geoordeeld dat mensen vijf verschillende smaken konden detecteren: zoet, zout, bitter, zuur en umami. In 2023 isoleerden onderzoekers een zesde smaakammoniakchloride.

Tijdens het testen kon het algoritme van het nieuwe kunstmatige smakensysteem, dat werd getraind om vier basissmaken te classificeren (zoet, zout, bitter, zuur), gemakkelijk smaken identificeren die het al had ervaren met een nauwkeurigheid van ongeveer 98,5%.

Het was ook in staat om smaken van 40 monsters te categoriseren die het niet eerder was aangetroffen, met een nauwkeurigheid variërend van 75% tot 90%. De onderzoekers hebben ook het algoritme getraind om de meer complexe smaken van koffie en cola te identificeren.

Door een van de beperkingen van eerdere kunstmatige smaaksystemen (de technische term voor vergelijkbare kunstmatige tongen) aan te pakken, integreerde het nieuwe ontwerp de detectie- en computerfuncties van smaakperceptie in een enkel nanofluïdisch apparaat.

Volgens de auteurs heeft dit systeem het potentieel om op een dag de smaakperceptie te herstellen aan mensen die dat vermogen hebben verloren als gevolg van beroerte, virale infectie of een reeks neurodegeneratieve aandoeningen. Er zijn echter een aantal technische hindernissen om te overwinnen vóór die tijd.

Het complete systeem, dat werd ontworpen als een proof-of-concept-experiment, is relatief omvangrijk met gelijktijdig grote energievereisten. De onderzoekers merken op dat verdere miniaturisatie en integratie nodig zijn voor praktische toepassingen.