Самопитание бионический датчик улитки на основе наногенератора трэбоэлектрического эффекта для высокоразрешающей частотной селективности

Аннотация

Сенсориноевральная потеря слуха остается наиболее распространенным хроническим нарушением, затрагивающим людей всех возрастов. Традиционные кохлеарные импланты громоздки, требуют внешних источников питания и ограничивают комфорт пациента. Мы представляем новый бионический кохлеарный датчик, имитирующий частотно-селективную механику базальной мембраны и собирающий акустическую энергию через наногенератор трэбоэлектрического эффекта (ТЭНГ). Устройство включает девять трапецеидально расположенных серебряных электродов на двух мембранах политетрафторетилена (ПТФЭ), обеспечивая четкие резонансные пики во всем слышим диапазоне (20–3000 Гц). Его самопитание, обеспечиваемое звуковыми вибрациями, предлагает компактное и удобное решение для реабилитации слуха.

Введение

По всему миру сенсориноевральная потеря слуха возникает из-за возраста, шума, ототоксичных препаратов и травм, ухудшая частотную дискриминацию и повседневное общение. Базальная мембрана улитки разделяет звуковые волны по частоте и преобразует механические вибрации в электрические импульсы, стимулирующие слуховые нервы. Конвенциональные импланты конвертируют акустические сигналы в электрические импульсы через внешний процессор и имплантированный массив электродов, но обременяют пациентов видимым оборудованием и внешними источниками питания.

Недавние микро- и нано-акустические датчики пытались воспроизвести кохлеарную селективность с помощью пьезоэлектрических или микробалочных технологий, но страдали от низкого выходного напряжения, сложной фабрикации и ограниченного частотного охвата. Наногенераторы трэбоэлектрического эффекта (ТЭНГ) предлагают привлекательную альтернативу, преобразуя механическое движение в значительные электрические сигналы при минимальной сложности. Их чувствительность к вариациям частоты делает их идеальными для проектирования самопитного частотно-селективного кохлеарного заменителя.

Методы/Эксперимент

Конструкция датчика повторяет трапецеидальную геометрию кохлеарной базальной мембраны, позволяя локальной резонансной частоте смещаться вдоль мембраны. Устройство состоит из двух акриловых пластин 120×60×4 мм с центральным трапецеидальным разрезом (основание 30 мм, вершина 10 мм, высота 100 мм). Две ПТФЭ-мембраны толщиной 20 мкм, каждая 120×60 мм, размещают по обе стороны от 20-микронного каpton-пространтца, задающего узкий зазор и устанавливающего акустический порог давления. Девять серебряных электродов 4×8 мм (≈200 нм толщины) распыляют на верхней поверхности ПТФЭ, пронумерованных от #1 (снизу) до #9 (сверху). Электроды расположены на расстоянии 10 мм в плоскости, обеспечивая минимальное механическое взаимодействие.

Вибрационные отклики измеряли лазерным доплеровским виброметром (ЛДВ) в диапазоне 100–3000 Гц, а трэбоэлектрическое выходное напряжение записывали с помощью предусилителя и осциллографа. Калиброванный динамик подавал синусоидальные акустические волны при варьируемом давлении. Моделирование в COMSOL Multiphysics смоделировало смещения мембраны на выбранных частотах (300, 1000, 2000 Гц) для валидации экспериментальных наблюдений.

Результаты и обсуждение

Увеличение звукового давления линейно усиливало как амплитуду вибрации на электродах #2, #5, #8, так и соответствующее трэбоэлектрическое напряжение (рис. 3). Эта линейность подтверждает способность датчика квантовать акустическую интенсивность через электрический выход.

Частотно-зависимые тесты выявили четкие резонансные пики для каждого электрода: электрод #2 — 200 Гц, #5 — 1030 Гц, #8 — 1850 Гц, с пиковыми напряжениями до 104 мВ. Смещение резонанса к электродам с большими номерами при повышении частоты воспроизводит тонотопическую организацию базальной мембраны (рис. 4г). Спектры амплитуды вибрации и выходного напряжения тесно перекрывались, подтверждая высокую эффективность двойной механико-электрической трансдукции.

COMSOL-моделирование (рис. 5) показало, что максимальное смещение ПТФЭ-мембраны перемещается от основания к вершине с ростом частоты, подтверждая экспериментальные данные. Трэбоэлектрический механизм работает через контактное электрическое зарядение между верхней ПТФЭ и серебряной нижней ПТФЭ под звуковым давлением, с последующей электростатической индукцией при разделении мембран, генерируя измерительные импульсы напряжения (рис. 6).

Заключение

Мы продемонстрировали самопитной, частотно-селективный кохлеарный заменитель, воспроизводящий механику базальной мембраны с помощью трапецеидальной ПТФЭ-мембраны, интегрированной с ТЭНГ. Массив из девяти электродов обеспечивает четкие резонансные пики во всем слышим диапазоне, обеспечивая точную частотную дискриминацию. Экспериментальные и конечно-элементные результаты подтверждают, что локальная амплитуда вибрации и трэбоэлектрическое напряжение достигают пиков на соответствующих частотах, имитируя кохлеарную тонотопию. Эта дешевая, готовая к имплантации платформа предлагает перспективную альтернативу для лечения сенсориноевральной потери слуха без необходимости во внешнем питании или громоздком оборудовании.

Аббревиатуры

LDV

Лазерный доплеровский виброметр

PM

ПТФЭ-мембрана

PTFE

Политетрафторетилен

TENG

Наногенератор трэбоэлектрического эффекта