Ontwerp van bionische cochleaire basilair membraan akoestische sensor voor frequentieselectiviteit op basis van tribo-elektrische film nanogenerator

Abstract

Perceptief gehoorverlies staat bovenaan de lijst van de meest lijdende ziekten omwille van de chronische, geestverruimende en gehandicapte kenmerken, die alle leeftijdsgroepen kunnen overkomen, van pasgeborenen tot oude mensen. Het technische ontwerp van Laggard en de externe stroomafhankelijkheid van conventionele cochleaire implantaten kwelden patiënten en beperkten de bredere praktische toepassing ervan, waardoor onderzoekers op zoek gingen naar fundamentele verbetering. In dit artikel hebben we met succes een nieuwe bionische cochleaire basilair membraan akoestische sensor voorgesteld in combinatie met tribo-elektrische nanogenerator. Door negen zilveren elektroden trapeziumvormig over beide polytetrafluorethyleenmembranen te verdelen, werd in deze gadget een zeer frequentieselectieve functie vervuld, variërend van 20 tot 3000 Hz. Er wordt aangenomen dat het beter waarneembaar is met de toename van het aantal elektrodes, verwijzend naar het werkelijke basilaire membraan in het slakkenhuis. Bovendien kan het as-made-apparaat enigszins zelfvoorzienend zijn door absorptie van trillingsenergie gedragen door geluid, wat de potentiële gebruikers enorm vergemakkelijkt. Als gevolg hiervan biedt het uitgebreide bionische systeem een innovatief perspectief om het probleem van perceptief gehoorverlies aan te pakken.

Achtergrond

Er zijn veel mensen die last hebben van gehoorproblemen, die veroorzaakt worden door vele redenen, zoals leeftijd, kanker, tuberculose, lawaai, drugsmisbruik, fysiek trauma wereldwijd [1,2,3,4]. Als een van de meest ernstige en typische gehoorbeschadigingen, wordt perceptief gehoorverlies vaak veroorzaakt door de beschadiging of het verlies van haarcellen van het orgaan van de Corti in het slakkenhuis, wat leidt tot de stoornis van frequentiediscriminatie van de gehoorfunctie [5,6] ,7]. De belangrijkste functies van het slakkenhuis zijn het scheiden van de binnenkomende geluidsgolven door hun frequenties en het omzetten van verschillende frequenties van door geluid veroorzaakte trillingen in elektriciteit om de gehoorzenuwen te stimuleren [8, 9]. Het basilair membraan, een speciale film, speelt een belangrijke rol voor de frequentieselectiviteit. De meeste patiënten die lijden aan perceptief gehoorverlies kiezen voor cochlea-implantaten, die de akoestiek omzetten in elektriciteit om de gehoorzenuwen te stimuleren via een elektrische array die in de cochlea wordt ingebracht [10, 11]. Deze cochlea-implantaten zorgen er echter voor dat de patiënten zich erg ongemakkelijk voelen omdat ze veel extra apparatuur op het hoofd van de patiënt hebben, wat resulteert in veel ongemakken wanneer de patiënten slapen of accijnzen. Aan de andere kant hebben ze ook randapparatuur nodig om het hele systeem van elektrische energie te voorzien [12]. Om deze nadelen te overwinnen, is het vervaardigen van een zelfaangedreven artikel en een volledig op zichzelf staand implanteerbaar kunstslakkenhuis de focus geweest van vele onderzoekers wereldwijd.

Om de functie van frequentieselectiviteit zoals cochlea te realiseren, zijn sommige micro-nanostructuren-apparaten gerapporteerd. Juichi Ito en Keon Jae Lee et al. gefabriceerde akoestische sensor die de functie van frequentieselectiviteit kan bereiken op basis van piëzo-elektrische materialen [13,14,15]. De uitgangsspanning van deze apparaten is echter relatief laag, variërend van enkele microvolt tot ongeveer 100 μV vanwege de lage spanningsrespons van de piëzo-elektriciteit. Aan de andere kant, H Shintaku et al. demonstreren een akoestische sensor vervaardigd uit een microbeam-array die alleen de frequenties op de hogere frequentie kon realiseren in vergelijking met de hoorbare [16]. Maar al deze ontwerpen hebben een aantal opmerkelijke zwakheden, zoals een complexe fabricageprocedure van de apparaten, een lage elektriciteitsoutput en frequentieselectie.

Als nieuw opkomend technologieveld wordt tribo-elektrische nanogenerator (TENG) een ideale methode om al deze problemen te overwinnen [17,18,19]. Gebaseerd op de koppeling van elektrificatie en elektrostatische inductie, kan een prachtige elektrische output gemakkelijk worden verkregen met minder kosten en een eenvoudige structuur, waardoor een geavanceerd fabricageproces wordt vermeden. Een dergelijk handelbaar mechanisme / ontwerp heeft een groot aantal structuren afgeleid om gemakkelijk verschillende soorten mechanische energie op te vangen en heeft een zelfaangedreven apparaat niet langer een droom gemaakt [20,21,22,23]. Om gedetailleerd te zijn, TENG's zijn in wezen ontwikkeld voor micro- of nanoscopische mechanische-naar-elektrische energieconversie, die veel beter compatibel is met de trillingen van de luchtstroom en een reeks onderzoeken hierover aanmoedigt [24, 25]. Door bijvoorbeeld op subtiele wijze akoestische energie te absorberen, hebben Yang et al. zijn erin geslaagd om de stemafdruk levendig op te nemen met een zelfaangedreven TENG-gebaseerde microfoon [26]. Merk op dat deze apparaten zeer gevoelig zijn voor de afwisseling van mechanische frequentie, wat de vooruitgang van de volgende generatie frequentieselectieve componenten verheldert.

In dit artikel demonstreren we een soort akoestisch apparaat dat zowel de frequentieselectiviteit als de transformatie van akoestische energie naar elektrische energie realiseert. Ons apparaat bestaat uit twee stukken polytetrafluorethyleen (PTFE) membraan die zijn bevestigd op een trapeziumvormige spleet op een acrylplaat, waarbij het PTFE-membraan over de spleet als sensor werkt. De functie van het polytetrafluorethyleenmembraan (PM) komt overeen met het vermogen van het natuurlijke basilaire membraan en het is met succes bevestigd op basis van de vibratie van het PM op verschillende lokale plaatsen volgens de frequentie van binnenkomende geluidsgolven.

Methoden/experimenteel

Figuur 1 toont de schematische tekeningen die het basilaire membraan van cochleair beschrijven. Het basilair membraan speelt een belangrijke rol bij passief horen [27]. De vorm lijkt op een trapeziumvormig frame dat in een spiraal is gedraaid en bedekt is met een dun membraan. Vanwege zijn geometrische eigenschap is het basilair membraan in staat om de frequentiecomponenten in binnenkomende akoestische golven mechanisch te scheiden. Het apicale gebied van het basilair membraan reageert op hoge akoestische golven en het basale gebied reageert alleen op laagfrequente geluiden. Wanneer een specifieke locatie van het basilair membraan wordt getrild door de akoestische golf van de resonantiefrequentie, openen of sluiten de haarcellen die op het membraan liggen het ionenkanaal om elektrische potentiaal te genereren [28].

Conceptuele schema's van het slakkenhuis en het basilair membraan. Het basilair membraan is een dunne spiraalfilm waarvan de breedte geleidelijk werd verkleind van de apex naar de basale

De aanduiding van de akoestische membraansensor wordt getoond in Fig. 2. Het apparaat bestaat hoofdzakelijk uit twee lagen PTFE-membranen, een stuk Kapton-polyimidefilm en twee stukken acrylplaten met trapeziumvormige spleten. De acrylplaat is een rechthoekige plaat met een lengte van 120 mm, een breedte van 60 mm en een dikte van 4 mm. De trapeziumvormige spleet bevindt zich in het midden van de acrylplaten en de lengte van de basislijn en de bovenlijn is respectievelijk 30 en 10 mm, met een hoogte van 100 mm. De PTFE-membranen zijn vergelijkbaar met de acrylplaten in de lengte en breedte, behalve dat de dikte slechts 20 m is. De trapeziumvorm is geïnspireerd op het cochleaire basilaire membraan met zijn lokale resonantiefrequentie die geleidelijk verandert van de bovenlijn naar de basislijn [29, 30]. De elektrode-array met negen elementen gemaakt van de zilverafzetting is vervaardigd aan de bovenzijde van PTFE-membranen op basis van Magnetism Sputter System. Aangezien de elektroden van ongeveer 200 nm dik extreem dunner zijn dan die van PTFE (40 μm), zullen ze de trillingseigenschappen van PTFE niet beïnvloeden. Voor het gemak worden de elektroden van onder naar boven van het trapeziumvormige membraan respectievelijk #1~#9 genoemd, zoals weergegeven in figuur 2b. De maat van elke elektrode is 4*8 mm² met een rechthoekige vorm, en de afstand in het vlak tussen twee aangrenzende elektroden is 10 mm. Tussen de twee PTFE-membranen wordt de Kapton-hardfilm, die even groot is als de acrylplaat, geplaatst. De dikte van het Kapton-membraan bepaalt de detectielimiet voor geluidsdruk. De rol van de Kapton-film is om een nauwe opening te maken tussen de twee lagen van het PTFE-membraan. De Kapton-film en PTFE-membranen werden spanningsvrij bedekt in het midden van twee acrylplaten met de trapeziumvormige sleuven met zelfklevende lijm. De trilling van PM wordt gemeten met behulp van een laser Doppler-vibrometermeetsysteem (LDV) en een geluidsniveauanalysator bij de verschillende frequenties in het bereik van 100 tot 3000 Hz. De elektrische signaaloutput wordt gemeten via de elektroden met behulp van een voorversterker.

Structureel ontwerp van de bionische membraansensor. een De 3D-weergave van de belangrijkste componenten van het apparaat voor frequentieselectiviteit. Ze zijn aan elkaar gelijmd en alleen de rekbare PTFE-membranen omgeven door de trapeziumvormige spleet kunnen vrij trillen onder de geluidsstimulatie. b Het bovenaanzicht van de sensor. De elektroden, gemaakt van zilverafzetting, zijn genummerd van elektrode #1 tot #9

Resultaten en discussie

We onderzochten eerst het effect van geluidsdruk op amplitudes van trillingsamplituden van het PTFE-membraan en tribo-elektrische spanningsoutput door respectievelijk LDV en oscilloscoop. Afbeelding 3 toont de relatie tussen de externe geluidsdruk en de trillingsamplitude in het PTFE-membraan. Hier kiezen we het signaal van de elektroden die zijn genummerd als #2, #5 en #8. De geluidsdruk wordt geleverd door een luidspreker die een sinusvormige akoestische golf kan uitzenden die 100 mm verwijderd is van het apparaat met een kleine hoek onder een schuine stand. Zoals te zien is in figuur 3a, neemt de trillingsamplitude bij elke elektrode lineair toe met de toename van de geluidsdruk. Ook neemt de amplitude toe wanneer het aantal elektrodes toeneemt. Figuur 3b laat zien dat de relatie tussen de geluidsdruk en de amplitude van de tribo-elektrische uitgangsspanning. De amplitude van de tribo-elektrische output toont ook een lineair verband met de geluidsdruk. Deze resultaten bewijzen dat de akoestische membraansensor de grootte van akoestische golven kan detecteren door de spanning van de tribo-elektrische nanogenerator te onderzoeken.

Experimentele resultaten in effect van de akoestische druk op amplitudes a van de trilling en b van tribo-elektrische uitgangsspanning. Blijkbaar is het een soort lineaire relatie tussen amplitude en geluidsdruk

Vervolgens onderzochten we het afstemmingsvermogen van de membraan-akoestische sensor met frequentieselectiviteit. Figuur 4a–c laat zien dat de frequentie-afhankelijkheid van trillingen en de tribo-elektrische spanningsoutput op respectievelijk #2, #5 en #8 elektroden. De zwarte lijn geeft de trillingsamplitude weer, terwijl de output van tribo-elektrische spanning wordt uitgezet door een rode lijn. Het resultaat laat zien dat elke elektrode een bepaalde frequentie heeft waarbij de elektrode relatief grote outputs heeft. Het lokale gebied, waar de lokale resonantiefrequentie van het PTFE overeenkomt met die van het inkomende geluid, trilt met grote amplitude, wat resulteert in een trillingspiek. De piek van de uitgangsspanning van elektrode #8 is 104 mV, wat overeenkomt met het lokale gebied van het PTFE-membraan met de trillingspiek bij 1850 Hz. Analoog kwamen de lokale regio's met trillingsamplitudes bij 200 en 1030 Hz overeen met de piek van de tribo-elektrische uitgangsspanning van respectievelijk elektroden #2 en #5. Bovendien is de frequentie-afhankelijkheid van trillingen kwalitatief vergelijkbaar met de tribo-elektrische uitgangsspanning.

Onderzoeksresultaat van het tribo-elektrische spanningsuitgangssignaal en de trillingsamplitude van a elektrode #2, b elektrode #5, en c elektrode # 8, die werd gemeten door het LDV-systeem en de oscilloscoop in de frequentie variërend van 20 tot 3000 Hz, en een verdeling van de trillingsverplaatsing en het tribo-elektrische spanningsuitgangssignaal overlapten elkaar nauw over de frequentiebandbreedte. d Experimentele resultaten van de relatie tussen het aantal elektrodes en de lokale resonantiefrequentie van het PTFE-membraan

Afbeelding 4d toont de relatie tussen de resonantiefrequentie van de lokale regio en het aantal elektrodes. Het aantal elektrodes vertegenwoordigt de afstand vanaf de onderkant van de trapeziumvormige spleet. Het is duidelijk dat naarmate de geluidsfrequentie toenam, de trillingspiek geneigd was te verschuiven naar een groter aantal elektroden, wat overeenkomt met het basisgebied van het eigenlijke basilaire membraan in het slakkenhuis.

Zoals eerder beschreven, bootst de akoestische membraansensor het cochleaire basilaire membraan na, en het werkingsprincipe kan worden verklaard door twee delen, akoestische membraantrilling en door trillingen geïnduceerde elektriciteitsopwekking. Aan de ene kant werden de akoestische trillingspatronen van het PTFE-basilaire membraan in reactie op de externe geluidsdruk bij verschillende frequenties, variërend van 20 tot 3000 Hz (het deel van de hoorbare frequentie van de mens), nagebootst door COMSOL Multiphysics, zoals aangetoond in Fig. 5 [31]. Uit het simulatieresultaat kunnen we afleiden dat de amplitudeverdeling van het PTFE-membraan duidelijk afhankelijk is van de akoestische frequentie. De plaats met de maximale amplitude, waar het PTFE-membraan lokaal resoneert, verschuift van de basislijn naar de bovenlijn van het trapeziumvormige gebied naarmate de frequentie toeneemt, wat goed past bij de experimentele resultaten.

De Comsol-software werd gebruikt om de trillingskarakteristieken van een enkel PTFE-membraan te stimuleren met een frequentie van a 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz

Aan de andere kant is de akoestische trilling van door PTFE-membraan geïnduceerde elektriciteitsopwekking toegeschreven aan de koppeling tussen contactelektrificatie en elektrostatische [32], zoals weergegeven in Fig. 6. Er is geen spanningssignaal wanneer de akoestische membraansensor niet is toegepast door een geluid (Fig. 6a). Wanneer de externe geluidsdruk het bovenste PTFE-membraan in contact brengt met de zilverafzetting op het onderste PTFE-membraan (Fig. 6b), grijpt het PTFE elektronen uit de zilverlaag, waardoor de negatieve tribo-elektrische ladingen in evenwicht worden gebracht door hun tegenovergestelde tegenhangers als gevolg van elektrostatische inductie [19]. Als gevolg hiervan is er geen potentiaalverschil tussen de twee lagen, noch tussen de elektronica op het bovenste membraan en de grond. Wanneer de externe geluidsdruk verdwenen is, zal het bovenste PTFE-basilaire membraan terugveren van het onderste PTFE-membraan vanwege zijn inherente elasticiteit. Er zal een opening ontstaan tussen twee membraanlagen (Fig. 6c), die de elektrische potentiaal van een bepaalde elektrodeval eroverheen leiden vanwege de tribo-elektrische ladingen, hetzelfde als de relatie tussen zilverelektrode en aarde [33].

Het diagram van het werkingsprincipe van de sensor. een Rusttoestand, waarin de PTFE niet is opgeladen, zonder geluidsstimulatie. b Contacttoestand, waarbij het bovenste PTFE-membraan negatief geladen is, onder geluidsdruk. c Afzonderlijke toestand, waarbij het bovenste en onderste PTFE-membraan van elkaar scheiden, het potentiaalverschil zorgt ervoor dat vrije elektronen van de grond naar de zilverelektrode stromen via het externe circuit

Conclusies

Samenvattend demonstreren we een nieuwe benadering om de functie van basilair membraan in het cochleair na te bootsen, die een belangrijk effect heeft op frequentieselectiviteit, door een membraansensor te gebruiken met de akoestische/elektrische conversie op basis van tribo-elektrische nanogenerator. Het trapeziumvormige PTFE-membraan, dat werd gecoat met verschillende kleine rechthoekige zilveren elektroden, is het hoofdbestanddeel van de akoestische sensor. De trillingskarakteristieken en de elektrische signaaloutput van trapeziumvormig PTFE-membraan werden gemeten door geluidsgolven op een bepaalde frequentie aan te brengen, met de laser Doppler-vibrometer en de oscilloscoop. De locatie met de maximale amplitude verschoof naar een smaller gebied van het trapeziumvormige PTFE-membraan naarmate de frequentie toenam. Op deze manier zou de sensor de functie van frequentieselectiviteit kunnen realiseren. Verder werd een eindige-elementensimulatie uitgevoerd met de COMSOL om aan te tonen dat de relatie tussen de amplitude van het trapeziumvormige PTFE-membraan en de binnenkomende akoestische golf past bij de experimentele resultaten. De akoestische membraansensor demonstreert een nieuwe en effectieve methode om perceptief gehoorverlies tegen lage kosten op te lossen en biedt een alternatief voor de behandeling van doofheid door een tribo-elektrische nanogenerator.

Afkortingen

LDV:: Laser Doppler vibrometer meetsysteem (LDV)
PM:: Polytetrafluorethyleen membraan
PTFE:: Polytetrafluorethyleen
TENG:: Tribo-elektrische nanogenerator

Effectieve lichtabsorptie met behulp van de dubbelzijdige piramideroosters voor dunne-film silicium zonnecel De fabricage van grote, uniforme grafeen-nanomeshes voor snelle, kamertemperatuur directe Terahertz-detectie

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal