Дизайн бионического кохлеарного базилярного мембранного акустического датчика для частотной селективности на основе пленочного трибоэлектрического наногенератора

Фон

Во всем мире есть много людей, страдающих нарушениями слуха, вызванными многими причинами, такими как возраст, рак, туберкулез, шум, употребление наркотиков, физические травмы [1,2,3,4]. Нейросенсорная тугоухость, как одно из наиболее серьезных и типичных нарушений слуха, часто вызывается повреждением или потерей волосковых клеток кортиевого органа в улитке, что приводит к нарушению частотной дискриминации слуховой функции [5,6 , 7]. Наиболее важными функциями улитки являются разделение входящих звуковых волн по их частотам и преобразование различных частот вызванных звуком вибрации в электричество для стимуляции слуховых нервов [8, 9]. Базилярная мембрана, представляющая собой особую пленку, играет важную роль в избирательности частот. Большинство пациентов, страдающих сенсоневральной тугоухостью, выбирают улитковые имплантаты, которые преобразуют акустический звук в электричество для стимуляции слуховых нервов с помощью электрического массива, вставленного в улитку [10, 11]. Однако эти имплантаты улитки заставляют пациентов чувствовать себя очень некомфортно, поскольку у них есть много дополнительного оборудования, расположенного на голове пациента, что создает множество неудобств, когда пациенты спят или делают обрезание. С другой стороны, им также необходимы периферийные устройства для обеспечения электроэнергией всей системы [12]. Чтобы преодолеть эти недостатки, многие исследователи во всем мире сосредоточили свои усилия на изготовлении изделия с автономным питанием и полностью автономной имплантируемой искусственной улитки.

Для реализации функции частотной избирательности, такой как улитка, сообщалось о некоторых устройствах с микронаноструктурами. Дзюичи Ито, Кеон Джэ Ли и др. изготовлен акустический датчик, который может выполнять функцию частотной селективности на основе пьезоэлектрических материалов [13,14,15]. Однако выходное напряжение этих устройств относительно низкое - от нескольких микровольт до примерно 100 мкВ из-за низкого напряжения пьезоэлектричества. С другой стороны, H Shintaku et al. продемонстрировать акустический датчик, изготовленный из массива микропучков, который мог реализовать только частоты на более высокой частоте по сравнению со звуковым [16]. Но все эти конструкции имеют некоторые заметные недостатки, такие как сложная процедура изготовления устройств, низкая выходная мощность и выбор частоты.

Как новая область технологий, трибоэлектрический наногенератор (TENG) становится идеальным методом для решения всех этих проблем [17,18,19]. Благодаря сочетанию электрификации и электростатической индукции можно легко получить великолепную электрическую мощность с меньшими затратами и простой конструкцией, избегая сложного процесса изготовления. Такой управляемый механизм / конструкция позволила создать большое количество структур, позволяющих легко поглощать различные виды механической энергии, и сделало устройство с автономным питанием больше не мечтой [20,21,22,23]. Чтобы быть более подробным, TENG в основном разработаны для микро- или наноскопического преобразования механической энергии в электрическую, что гораздо более совместимо с вибрацией воздушного потока и требует проведения ряда исследований в этой области [24, 25]. Например, слегка поглощая акустическую энергию, Янг и др. удалось ярко записать вокальный отпечаток с помощью микрофона на базе TENG с автономным питанием [26]. Обратите внимание, что эти устройства очень чувствительны к изменению механической частоты, что свидетельствует о развитии частотно-избирательных компонентов следующего поколения.

В этой статье мы демонстрируем разновидность акустического устройства, которое реализует как частотную избирательность, так и преобразование акустической энергии в электрическую. Наше устройство состоит из двух частей мембраны из политетрафторэтилена (ПТФЭ), которые закреплены на трапециевидной прорези, расположенной на акриловой пластине, где мембрана из ПТФЭ над прорезью работает как датчик. Функция политетрафторэтиленовой мембраны (ПМ) соответствует свойствам природной базилярной мембраны, и это успешно подтверждено на основании вибрации ПМ, возникающей в различных локальных местах в соответствии с частотой входящих звуковых волн.

Методы / экспериментальные

На рисунке 1 показаны схематические рисунки, описывающие базилярную мембрану улитки. Базилярная мембрана играет важную роль в пассивном слухе [27]. По форме он похож на трапециевидный каркас, закрученный в спираль и покрытый тонкой мембраной. Благодаря своим геометрическим характеристикам базилярная мембрана способна механически разделять частотные составляющие входящих акустических волн. Апикальная область базилярной мембраны реагирует на высокие акустические волны, а базальная область реагирует только на низкочастотные звуки. Когда определенное место базилярной мембраны подвергается вибрации с помощью акустической волны резонансной частоты, волосковые клетки, лежащие на мембране, открывают или закрывают ионный канал для генерации электрического потенциала [28].

Концептуальные схемы улитки и базилярной мембраны. Базилярная мембрана представляет собой спиралевидную тонкую пленку, ширина которой постепенно уменьшалась от вершины к основанию

Обозначение мембранного акустического датчика показано на рис. 2. Устройство состоит в основном из двух слоев PTFE мембран, одного куска полиимидной пленки Kapton и двух частей акриловых пластин с трапециевидными прорезями. Акриловая пластина представляет собой прямоугольную пластину длиной 120 мм, шириной 60 мм и толщиной 4 мм. Трапециевидная прорезь расположена посередине акриловых пластин, длина базовой и верхней линии составляет 30 и 10 мм соответственно при высоте 100 мм. Мембраны из ПТФЭ похожи на акриловые пластины по длине и ширине, за исключением того, что толщина составляет всего 20 мкм. Трапециевидная форма была вдохновлена ​​базилярной мембраной улитки с постепенным изменением локальной резонансной частоты от линии верха к базовой линии [29, 30]. На верхней стороне мембран из ПТФЭ на основе системы магнетизма напыления изготовлена ​​электродная решетка из девяти элементов, выполненных методом напыления серебра. Поскольку электроды толщиной около 200 нм чрезвычайно тоньше, чем у ПТФЭ (40 мкм), они не будут влиять на вибрационные характеристики ПТФЭ. Для удобства электроды обозначены цифрами №1 ~ №9 снизу вверх трапециевидной мембраны, соответственно, как показано на рис. 2b. Размер каждого электрода 4 * 8 мм ² имеет форму прямоугольника, а расстояние в плоскости между двумя соседними электродами составляет 10 мм. Твердая пленка из каптона того же размера, что и акриловая пластина, помещается между двумя мембранами из ПТФЭ. Толщина каптоновой мембраны определяет предел обнаружения звукового давления. Роль каптоновой пленки заключается в создании узкого зазора между двумя слоями мембраны из ПТФЭ. Пленка из каптона и мембраны из ПТФЭ были без натяжения покрыты посередине двух акриловых пластин с трапециевидными прорезями с помощью клеевого клея. Вибрация PM измеряется с помощью системы измерения лазерного доплеровского виброметра (LDV) и анализатора уровня звука на различных частотах в диапазоне от 100 до 3000 Гц. Выходной электрический сигнал измеряется через электроды с помощью предусилителя.

Конструктивная конструкция бионического мембранного сенсора. а Трехмерный вид основных компонентов устройства для частотной селективности. Они склеены между собой, и только эластичные мембраны из ПТФЭ, окруженные трапециевидной прорезью, могут свободно вибрировать при звуковой стимуляции. б Вид датчика сверху. Электроды, изготовленные из осаждения серебра, пронумерованы от №1 до №9

Результаты и обсуждение

Сначала мы исследовали влияние звукового давления на амплитуды колебаний мембраны из ПТФЭ и выходное трибоэлектрическое напряжение с помощью ЛДВ и осциллографа соответственно. На рисунке 3 показана зависимость между внешним звуковым давлением и амплитудой колебаний в мембране из ПТФЭ. Здесь мы выбираем сигнал с электродов, которые пронумерованы как №2, №5 и №8. Звуковое давление обеспечивается динамиком, который может излучать синусоидальную акустическую волну, находящуюся на расстоянии 100 мм от устройства под небольшим углом при наклоне. Как видно на рис. 3а, амплитуда колебаний на каждом электроде линейно увеличивается с увеличением звукового давления. Также амплитуда увеличивается при увеличении количества электродов. На рисунке 3b показано соотношение между звуковым давлением и амплитудой выходного трибоэлектрического напряжения. Амплитуда трибоэлектрического выхода также демонстрирует линейную зависимость от звукового давления. Эти результаты доказывают, что мембранный акустический датчик может определять величину акустической волны, измеряя напряжение от трибоэлектрического наногенератора.

Результаты экспериментов по влиянию акустического давления на амплитуды а вибрации и b выходного трибоэлектрического напряжения. По всей видимости, это некая линейная зависимость между амплитудой и звуковым давлением

Затем мы исследовали возможность настройки мембранного акустического датчика с частотной избирательностью. На рис. 4a – c показана частотная зависимость вибрации и выходного трибоэлектрического напряжения на электродах №2, №5 и №8 соответственно. Черная линия представляет собой амплитуду вибрации, а выходное трибоэлектрическое напряжение показано красной линией. Результат показывает, что каждый электрод имеет определенную частоту, тогда как электрод имеет относительно большие выходы. Локальная область, где локальная резонансная частота ПТФЭ совпадает с частотой входящего звука, вибрирует с большой амплитудой, что приводит к пику вибрации. Пик выходного напряжения электрода № 8 составляет 104 мВ, что соответствует локальной области мембраны из ПТФЭ с пиком вибрации при 1850 Гц. Аналогично, локальные области с амплитудами колебаний 200 и 1030 Гц соответствовали пику выходного трибоэлектрического напряжения электродов №2 и №5 соответственно. Кроме того, частотная зависимость вибрации качественно аналогична выходному трибоэлектрическому напряжению.

Результат исследования выходного сигнала трибоэлектрического напряжения и амплитуды вибрации от a электрод №2, b электрод № 5 и c Электрод № 8, который измерялся системой LDV и осциллографом в диапазоне частот от 20 до 3000 Гц, и распределение вибрационного смещения и выходной сигнал трибоэлектрического напряжения близко перекрывались по всей полосе частот. г Экспериментальные результаты зависимости между номером электрода и локальной резонансной частотой PTFE мембраны

На рисунке 4d показано соотношение между резонансной частотой локальной области и номером электрода. Номер электрода представляет собой расстояние от дна трапециевидной щели. Очевидно, что по мере увеличения частоты звука пик вибрации имеет тенденцию смещаться в сторону большего числа электродов, что соответствует основной области фактической базилярной мембраны улитки.

Как описано ранее, мембранный акустический датчик имитирует базилярную мембрану улитки, и принцип работы можно объяснить двумя частями:акустической вибрацией мембраны и генерированием электричества, вызванным вибрацией. С одной стороны, COMSOL Multiphysics эмулировал модели акустических колебаний базилярной мембраны из ПТФЭ в ответ на внешнее звуковое давление в диапазоне различных частот от 20 до 3000 Гц (часть слышимой человеком частоты), как показано на рис. 5 [31]. Из результата моделирования мы можем обнаружить, что амплитудное распределение мембраны из ПТФЭ четко показывает зависимость от акустической частоты. Место с максимальной амплитудой, где мембрана из ПТФЭ локально резонирует, смещается от базовой линии к верхней линии трапециевидной области с увеличением частоты, что хорошо согласуется с экспериментальными результатами.

Программное обеспечение Comsol использовалось для стимуляции вибрационных характеристик одиночной PTFE мембраны на частоте a 300 Гц, b 1000 Гц, c 2000 Гц

С другой стороны, акустическая вибрация при генерировании электричества, индуцированного мембраной PTFE, является следствием связи между контактной электризацией и электростатикой [32], как показано на рис. 6. Когда мембранный акустический датчик не применяется, сигнал напряжения отсутствует. звуком (рис. 6а). Когда внешнее звуковое давление приводит к контакту верхней мембраны из ПТФЭ с отложением серебра на нижней мембране из ПТФЭ (рис. 6b), ПТФЭ захватывает электроны из слоя серебра, что заставляет отрицательные трибоэлектрические заряды уравновешивать их противоположные части за счет электростатического заряда. индукция [19]. В результате нет ни разности потенциалов между двумя слоями, ни между электроникой на верхней мембране и землей. Когда внешнее звуковое давление исчезнет, ​​верхняя базилярная мембрана из ПТФЭ отскочит от нижней мембраны из ПТФЭ из-за присущей ей эластичности. Между двумя слоями мембраны появится зазор (рис. 6c), который приводит к падению электрического потенциала определенного электрода из-за трибоэлектрических зарядов, так же, как соотношение между серебряным электродом и землей [33].

Схема принципа работы датчика. а Состояние покоя, в котором ПТФЭ не заряжен, без звуковой стимуляции. б Состояние контакта, при котором верхняя мембрана из ПТФЭ отрицательно заряжена под звуковым давлением. c Раздельное состояние, в котором верхняя и нижняя мембраны из ПТФЭ отделены друг от друга, разность потенциалов заставляет свободные электроны течь от земли к серебряному электроду через внешнюю цепь

Выводы

Таким образом, мы демонстрируем новый подход к имитации функции базилярной мембраны в улитке, которая имеет важный эффект частотной избирательности, с помощью мембранного датчика с акустическим / электрическим преобразованием на основе трибоэлектрического наногенератора. Трапециевидная мембрана из ПТФЭ, покрытая несколькими маленькими прямоугольными серебряными электродами, является основным компонентом акустического датчика. Вибрационные характеристики и выходной электрический сигнал трапециевидной мембраны из ПТФЭ были измерены путем подачи звуковых волн определенной частоты с помощью лазерного доплеровского виброметра и осциллографа. Локация с максимальной амплитудой смещалась в сторону более узкой области трапециевидной мембраны из ПТФЭ по мере увеличения частоты. Таким образом, датчик может реализовать функцию частотной избирательности. Кроме того, с помощью COMSOL было проведено моделирование методом конечных элементов, чтобы показать, что соотношение между амплитудой трапециевидной мембраны из ПТФЭ и входящей акустической волной согласуется с экспериментальными результатами. Мембранный акустический датчик демонстрирует новый и эффективный метод решения сенсоневральной тугоухости с низкой стоимостью и представляет собой альтернативу лечению глухоты с помощью трибоэлектрического наногенератора.

Сокращения

LDV:

Система измерения лазерного доплеровского виброметра (ЛДВ)

PM:

Мембрана из политетрафторэтилена

ПТФЭ:

Политетрафторэтилен

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор