生物的優(yōu)良機制在傳感器領域也發(fā)揮了威力。比如可對一個分子做出反應的超高敏度傳感器，以及對特定氣味做出反應的昆蟲傳感器。靈敏度絲毫不輸人類的觸覺傳感器也進入了開發(fā)“射程”。

　　借助生物的力量，可制造憑借現(xiàn)有電子部件和半導體技術難以實現(xiàn)的超高敏度傳感器。其中，生物的力量有望極大發(fā)揮作用的是氣味傳感器。雖然也有研究在想通過半導體傳感器來實現(xiàn)，但存在很多課題，比如對氣味的選擇性低、檢測用時較長，等等。

　　還有像機場的緝毒犬那樣用犬代替?zhèn)鞲衅鞯姆椒�，但同樣存在很多問題，比如訓練緝毒犬需要時間和金錢、無法長時間集中精力、難以進入有生命危險的場所等。

　　但如果能將生物的嗅覺機制應用于工學，就有可能突破這些壁壘。著眼于這一點開發(fā)高敏度傳感器的，是東京大學生產技術研究所教授竹內昌治領導的研發(fā)小組。該研發(fā)小組的目標是實現(xiàn)只要用一個分子即可檢測的傳感器。

　　具體來說就是利用細胞具備的“膜蛋白質”。膜蛋白質可作為用一個分子即可檢測出特定物質的傳感器使用。

　　細胞被稱為“脂質雙分子層”的雙層脂質分子膜包覆。多種膜蛋白質貫穿這種分子膜。特定的分子附著在膜蛋白質上后，膜蛋白質就會變形，脂質雙分子層上出現(xiàn)小孔。根據(jù)膜蛋白質種類的不同，發(fā)生反應的分子種類也不同。

　　質雙分子層上開孔時，膜的正反面如果有電位差，就會流過大量的離子。通過檢測離子的流動來發(fā)揮傳感器的作用。只要有一個分子附著在膜蛋白質上，1秒鐘就會有大約107個離子移動，因此能以高敏度進行傳感。

　　將膜蛋白質用作傳感器時，重要的是作為基礎的脂質雙分子層。但此前脂質雙分子層比較難形成，“一般由熟練的研究人員通過手工作業(yè)等制作，以往的方法不適合大批量生產”（東京大學的竹內）。

　　因此，竹內等人開發(fā)出了可輕松制造脂質雙分子層的方法。在分散有脂質的油中滴入少量的水滴，即可根據(jù)脂質的自組織，形成以單層脂質膜包覆的水。利用通過MEMS技術制造的“微流體裝置”，使兩個由單層脂質膜包覆的水滴接觸，接觸部分就會形成雙分子層。這種制造方法稱為“Droplet Contact Methods（DCM）”。通過DCM制造雙分子層的裝置已經與神奈川科學技術研究院（KAST）完成共同開發(fā)。

　　試制可卡因傳感器

　　在利用DCM制作的脂質雙分子層中嵌入與想檢測的物質的分子發(fā)生反應的膜蛋白質，作為傳感器使用。也就是說，制作僅針對特定物質發(fā)生反應的人工細胞。

　　竹內等人在利用DCM制作的脂質雙分子層中埋入“α-溶血素”膜蛋白質，試制了針對可卡因發(fā)生反應的傳感器。

　　α-溶血素是有直徑約1.5nm的孔的筒狀物質，會通過脂質雙分子層的正反面。在此之上組合了只與可卡因分子結合的“DNA核酸適體”。

　　DNA核酸適體能以單鏈穿過α-溶血素的孔。但與可卡因分子結合的話，形狀會發(fā)生變化，就無法再穿過孔了。通過檢測DNA核酸適體與可卡因分子結合后被孔卡住時產生的電流來檢測可卡因。能夠檢測到溶解在1L液體中的0.3mg的可卡因。檢測時間只有25秒。

　　可卡因傳感器利用的這種檢測法通過改變DNA核酸適體的種類，還能高敏度檢測其他物質。估計將來可用于環(huán)境傳感器，用來檢測食品的氣味以調查新鮮度、農藥量和產地，或者檢測水中和大氣中的有害物質。還打算用于根據(jù)口臭和體臭診斷疾病的傳感器。

　　注1）竹內等人開發(fā)的人工細胞除傳感器用途外，還可用于新藥領域。因為，藥物是否經由膜蛋白質進入了細胞內決定著藥效。

　　氣味檢測利用昆蟲的特性

　　此外還有其他積極利用生物制造傳感器的動向。其中，昆蟲不但種類繁多，還具備能對氣味、尤其是費洛蒙做出敏感反應的性質。東京大學尖端技術研究中心副所長、生命智能系統(tǒng)領域的教授神崎亮平領導的研發(fā)小組，就在推進將昆蟲的這種特性用于傳感器的研究。

　　神崎等人現(xiàn)在正大力構筑使昆蟲的嗅覺受體（膜蛋白質）與氣味物質的聯(lián)系實現(xiàn)系統(tǒng)化的數(shù)據(jù)庫。他們從不同種類的昆蟲中提取嗅覺受體，測量其對哪種氣味物質會做出什么程度的反應，然后做成表格。目標是完成300種嗅覺受體與200種氣味物質的組合。

　　該數(shù)據(jù)庫的制作利用了根據(jù)“甘藍夜蛾蛹卵巢”培養(yǎng)的細胞“Sf21”。在Sf21中嵌入從各種昆蟲中提取的嗅覺受體基因進行培養(yǎng)，調查對氣味物質做出的反應。通過在Sf21中嵌入與氣味物質跟嗅覺受體結合時流入細胞內的鈣離子發(fā)生反應的熒光蛋白質基因，可以從外部觀察這種反應。根據(jù)對氣味物質的反應強度的不同，熒光量也會增大，因此該方法可以測量反應強度。

　　該數(shù)據(jù)庫建成后，就能從想檢測的氣味物質中推斷出反應的受體。例如，有望檢索最適合癌癥患者的患部發(fā)出的氣味物質之一“二甲基三硫”的受體是什么等。另外，估計還能檢索可檢測多種氣味物質的受體組合。

　　神崎的研發(fā)小組打算用兩種方法實現(xiàn)利用該數(shù)據(jù)庫的傳感器。一是“傳感器桑蠶”。桑蠶具備檢測到費洛蒙后就會移動的性質。如果在其觸覺的費洛蒙檢測部通過基因操作導入對目標氣味物質發(fā)生反應的受體，就能實現(xiàn)把這種氣味物質誤認為是費洛蒙并做出反應的桑蠶�！袄�如，可以考慮在機場的行李檢查線上設置經過基因操作的桑蠶，當裝有非法肉類和爆炸品的行李靠近，桑蠶會一起做出反應”（神崎）。

　　另一種是作為傳感器細胞安裝的方法。通過為上述Sf21導入目標受體的基因，可制造對特定氣味物質發(fā)光的細胞。

　　不輸人類的觸覺傳感器

　　除了利用生物自身機制的傳感器外，利用生物感覺器官的形狀，大幅提高傳感器性能的研發(fā)也在進行中。其中比較獨特的是福島大學理工學院教授島田邦雄的研發(fā)小組試制的觸覺傳感器，該傳感器采用了人類指紋的凸凹構造。即使在垂直方向以0.01N的微弱力量摩擦物體，也能判斷材質的不同�！帮w機和船舶進行涂裝后，用人工傳感器無法判斷涂裝是否平滑，因此現(xiàn)在仍然是由工匠用手來確認。如果采用我們試制的傳感器，就可以代替工匠來做這項工作”。

　　在試制的傳感器中發(fā)揮重要作用的，是島田的研發(fā)小組2001年開發(fā)的磁性材料“Magnetic Compound Fluid（MCF）”。由粒徑為μm級的金屬顆粒物與粒徑約為10nm的磁鐵礦（Fe3O4）以及溶劑混合制作。開發(fā)之初金屬顆粒物采用鐵（Fe），不過現(xiàn)在采用靈敏度高的鎳（Ni）。將MCF混入橡膠中，邊加載磁場邊使之凝固，制作具備磁各向異性的導電性橡膠。

　　在向MCF橡膠加載電壓的同時摩擦物體，橡膠會根據(jù)其表面狀態(tài)變形。由此電阻值會發(fā)生變化，流過MCF橡膠的電流值也因此而改變。把這種電流變化作為觸覺傳感器來利用。

　　以往的感壓式導電性橡膠也能實現(xiàn)相同的功能，不過MCF橡膠的“靈敏度要高得多”（福島大學的島田）。針對壓力的電阻變化是以往的導電性橡膠的100倍以上。還能檢測竹莢魚魚鱗的凸凹，以及鳴鳴蟬和秋蟬翅膀表面光滑度的不同等。

　　模仿指紋提高靈敏度　　

　　島田認為，“人類的指紋應該有助于提高觸覺靈敏度”，因此在MCF橡膠的表面貼上了帶有指紋凸凹的膜（硅橡膠）。由此進一步提高了MCF橡膠傳感器的靈敏度。關于凸凹，嘗試了橫線狀、格子狀和同心圓狀等多種形狀。哪種形狀更好因觸摸對象物而異，不過“無論哪種形狀，總的來說都能提高靈敏度”。

　　利用MCF橡膠的話，不僅是觸覺，還能制成檢測“痛覺”、“壓覺”、“溫覺”、“冷覺”的傳感器。僅用MCF橡膠就能實現(xiàn)人的5覺。壓覺方面，MCF橡膠的電阻值會根據(jù)壓力而改變，因此能實現(xiàn)。痛覺會“在單位面積的力較強時產生”，所以用面積除以檢測的壓力即可計算出來。溫覺和冷覺方面，MCF橡膠會隨著溫度變化而略微變形，調查因此而產生的電流值變化即可查明。

　　MCF橡膠雖然可實現(xiàn)5覺，但分解每種感覺進行辨別是一個課題。因此，島田打算對MCF橡膠檢測到的電流進行快速傅里葉變換，通過分析其頻率成分來區(qū)分5覺。雖然目前還不能完全分離，不過“感覺就快實現(xiàn)了”。

　　MCF橡膠傳感器的靈敏度較高，估計還能實現(xiàn)可輕輕撫摸人的頭部的機器人。

　　MCF除了傳感器外，還可用于拋光材料和抗震用減震器。采用MCF的拋光機已經實現(xiàn)實用化。

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