Design eines bionischen cochleären Basilarmembran-Akustiksensors für Frequenzselektivität basierend auf einem triboelektrischen Film-Nanogenerator

Hintergrund

Es gibt weltweit viele Menschen, die an Hörbehinderungen leiden, die durch viele Gründe wie Alter, Krebs, Tuberkulose, Lärm, Drogenmissbrauch, körperliche Traumata verursacht werden [1,2,3,4]. Als eine der schwersten und typischsten Hörstörungen wird die Schallempfindungsschwerhörigkeit häufig durch die Schädigung oder den Verlust von Haarzellen des Corti-Organs in der Hörschnecke verursacht, was zu einer Störung der Frequenzdiskriminierung der Hörfunktion führt [5,6 ,7]. Die wichtigsten Funktionen der Cochlea sind die Trennung der eintreffenden Schallwellen nach ihren Frequenzen und die Umwandlung unterschiedlicher Frequenzen von schallinduzierten Vibrationen in Elektrizität, um die Hörnerven zu stimulieren [8, 9]. Eine wesentliche Rolle für die Frequenzselektivität spielt die Basilarmembran als spezielle Folie. Die meisten Patienten, die an Schallempfindungsschwerhörigkeit leiden, entscheiden sich für Cochlea-Implantate, die Schall in Elektrizität umwandeln, um Hörnerven durch ein elektrisches Array, das in die Cochlea eingesetzt wird, zu stimulieren [10, 11]. Diese Cochlea-Implantate bereiten den Patienten jedoch ein sehr unangenehmes Gefühl, da sie viele zusätzliche Geräte am Kopf des Patienten haben, was zu vielen Unannehmlichkeiten beim Schlafen oder bei der Exzision führt. Andererseits benötigen sie auch Peripheriegeräte, um das gesamte System mit elektrischer Energie zu versorgen [12]. Um diese Nachteile zu überwinden, stand die Herstellung eines selbstangetriebenen Artikels und einer vollständig eigenständigen implantierbaren künstlichen Cochlea im Mittelpunkt der Bemühungen vieler Forscher weltweit.

Um die Funktion der Frequenzselektivität wie bei der Cochlea zu realisieren, wurden einige Mikro-Nano-Strukturgeräte beschrieben. Juichi Ito und Keon Jae Lee et al. hergestellter akustischer Sensor, der die Funktion der Frequenzselektivität basierend auf piezoelektrischen Materialien erreichen kann [13,14,15]. Die Spannungsausgabe dieser Vorrichtungen ist jedoch relativ niedrig, die aufgrund der niedrigen Spannungsantwort der Piezoelektrizität von einigen Mikrovolt bis etwa 100 μV reicht. Andererseits haben H. Shintaku et al. demonstrieren einen akustischen Sensor, der aus einem Mikrobeam-Array hergestellt wurde, der nur die Frequenzen bei der höheren Frequenz im Vergleich mit dem akustischen erkennen konnte [16]. Aber alle diese Designs haben einige bemerkenswerte Schwächen, wie das komplexe Herstellungsverfahren der Geräte, die geringe Stromabgabe und die Frequenzauswahl.

Als neu entstehendes Technologiefeld wird der triboelektrische Nanogenerator (TENG) zu einer idealen Methode, um all diese Probleme zu überwinden [17,18,19]. Basierend auf der Kopplung von Elektrifizierung und elektrostatischer Induktion kann eine wunderbare elektrische Leistung leicht mit geringeren Kosten und einfacher Struktur erzielt werden, wobei ein komplizierter Herstellungsprozess vermieden wird. Solch ein handhabbarer Mechanismus/Design hat eine große Anzahl von Strukturen hervorgebracht, um verschiedene Arten von mechanischer Energie auf einfache Weise zu fangen, und machten selbstangetriebene Geräte nicht länger zu einem Traum [20,21,22,23]. Genauer gesagt werden TENGs im Wesentlichen für die mikro- oder nanoskopische mechanisch-elektrische Energieumwandlung entwickelt, die weitaus verträglicher mit der Vibration des Luftstroms ist und eine Reihe von diesbezüglichen Forschungen anregt [24, 25]. Zum Beispiel haben Yang et al. haben es geschafft, mit einem batterielosen TENG-basierten Mikrofon anschauliche Stimmabdrücke aufzunehmen [26]. Beachten Sie, dass diese Geräte sehr empfindlich auf den Wechsel mechanischer Frequenzen reagieren, was die Weiterentwicklung frequenzselektiver Komponenten der nächsten Generation aufklärt.

In diesem Beitrag demonstrieren wir eine Art akustisches Gerät, das sowohl die Frequenzselektivität als auch die Umwandlung der akustischen Energie in elektrische Energie realisiert. Unser Gerät besteht aus zwei Stück Polytetrafluorethylen (PTFE)-Membran, die auf einem trapezförmigen Schlitz auf einer Acrylplatte befestigt sind, wobei die PTFE-Membran über dem Schlitz als Sensor fungiert. Die Funktion der Polytetrafluorethylen-Membran (PM) entspricht der Leistungsfähigkeit der Basilarmembran der Natur und wurde erfolgreich anhand der Schwingungen der PM bestätigt, die an verschiedenen lokalen Orten entsprechend der Frequenz der eintreffenden Schallwellen auftraten.

Methoden/Experimental

Abbildung 1 zeigt die schematischen Zeichnungen, die die Basilarmembran der Cochlea beschreiben. Die Basilarmembran spielt eine wichtige Rolle beim passiven Hören [27]. Seine Form ähnelt einem trapezförmigen Rahmen, der zu einer Spirale verdreht und von einer dünnen Membran bedeckt ist. Aufgrund ihrer geometrischen Eigenschaften ist die Basilarmembran in der Lage, die in eingehenden akustischen Wellen enthaltenen Frequenzkomponenten mechanisch zu trennen. Die apikale Region der Basilarmembran reagiert auf hohe Schallwellen und die Basalregion nur auf niederfrequente Töne. Wenn eine bestimmte Stelle der Basilarmembran durch ihre akustische Resonanzfrequenzwelle in Schwingung versetzt wird, öffnen oder schließen die auf der Membran liegenden Haarzellen den Ionenkanal, um ein elektrisches Potenzial zu erzeugen [28].

Konzeptionelle Schemata der Cochlea und der Basilarmembran. Die Basilarmembran ist ein spiralförmiger dünner Film, dessen Breite von der Spitze zur Basis allmählich reduziert wurde

Die Bezeichnung des akustischen Membransensors ist in Abb. 2 dargestellt. Das Gerät besteht hauptsächlich aus zwei Schichten PTFE-Membranen, einem Stück Kapton-Polyimidfolie und zwei Stücken Acrylplatten mit trapezförmigen Schlitzen. Die Acrylplatte ist eine rechteckige Platte mit einer Länge von 120 mm, einer Breite von 60 mm und einer Dicke von 4 mm. Der trapezförmige Schlitz befindet sich in der Mitte der Acrylplatten und die Länge von Grundlinie und Oberlinie beträgt 30 bzw. 10 mm bei einer Höhe von 100 mm. Die PTFE-Membranen ähneln in Länge und Breite den Acrylplatten, nur dass die Dicke nur 20 μm beträgt. Die Trapezform wurde von der cochlearen Basilarmembran inspiriert, deren lokale Resonanzfrequenz sich allmählich von der oberen Linie zur Grundlinie ändert [29, 30]. Das Elektrodenarray mit neun Elementen aus der Silberabscheidung wird auf der Oberseite von PTFE-Membranen basierend auf dem Magnetism Sputter System hergestellt. Da die Elektroden mit einer Dicke von etwa 200 nm extrem dünner sind als die von PTFE (40 μm), beeinträchtigen sie die Schwingungseigenschaften von PTFE nicht. Der Einfachheit halber werden die Elektroden von unten nach oben auf der trapezförmigen Membran jeweils als #1–#9 bezeichnet, wie in Fig. 2b gezeigt. Die Größe jeder Elektrode beträgt 4*8 mm ² mit einer rechteckigen Form und der Abstand in der Ebene zwischen zwei benachbarten Elektroden beträgt 10 mm. Zwischen den beiden PTFE-Membranen befindet sich die Kapton-Hartfolie, die die gleiche Größe wie die Acrylplatte hat. Die Dicke der Kapton-Membran bestimmt die Schalldruck-Detektionsgrenze. Die Aufgabe des Kapton-Films besteht darin, einen schmalen Spalt zwischen den beiden Schichten der PTFE-Membran zu bilden. Die Kapton-Folie und PTFE-Membranen wurden in der Mitte zweier Acrylplatten mit den trapezförmigen Schlitzen spannungsfrei mit Klebekleber abgedeckt. Die PM-Schwingung wird mit einem Laser-Doppler-Vibrometer-Messsystem (LDV) und einem Schallpegelanalysator bei den verschiedenen Frequenzen im Bereich von 100 bis 3000 Hz gemessen. Der elektrische Signalausgang wird über die Elektroden mit einem Vorverstärker gemessen.

Struktureller Aufbau des bionischen Membransensors. a Die 3D-Ansicht der Hauptkomponenten des Geräts für die Frequenzselektivität. Sie sind miteinander verklebt und nur die dehnbaren PTFE-Membranen, die vom trapezförmigen Schlitz umgeben sind, können unter der Schallstimulation frei schwingen. b Die Draufsicht des Sensors. Die aus Silber abgeschiedenen Elektroden sind von Elektrode Nr. 1 bis Nr. 9 nummeriert

Ergebnisse und Diskussion

Wir untersuchten zunächst die Wirkung des Schalldrucks auf die Amplituden der Schwingungsamplituden der PTFE-Membran und die triboelektrische Spannungsausgabe von LDV bzw. Oszilloskop. Abbildung 3 zeigt die Beziehung zwischen dem externen Schalldruck und der Schwingungsamplitude in einer PTFE-Membran. Hier wählen wir das Signal von den Elektroden aus, die mit #2, #5 und #8 nummeriert sind. Der Schalldruck wird von einem Lautsprecher bereitgestellt, der eine sinusförmige Schallwelle aussenden kann, die 100 mm vom Gerät mit einem kleinen Neigungswinkel entfernt ist. Wie in Abb. 3a zu sehen ist, nimmt die Schwingungsamplitude an jeder Elektrode mit zunehmendem Schalldruck linear zu. Auch die Amplitude nimmt zu, wenn die Elektrodenanzahl erhöht wird. Abbildung 3b zeigt die Beziehung zwischen dem Schalldruck und der Amplitude der triboelektrischen Ausgangsspannung. Die Amplitude der triboelektrischen Leistung zeigt auch eine lineare Beziehung zum Schalldruck. Diese Ergebnisse beweisen, dass der akustische Membransensor die Größe einer akustischen Welle erkennen kann, indem er die Spannung des triboelektrischen Nanogenerators untersucht.

Experimentelle Ergebnisse zur Wirkung des Schalldrucks auf die Amplituden a der Schwingung und b des triboelektrischen Spannungsausgangs. Offenbar handelt es sich um eine Art linearer Zusammenhang zwischen Amplitude und Schalldruck

Als nächstes untersuchten wir die Abstimmfähigkeit des akustischen Membransensors mit Frequenzselektivität. Abbildung 4a–c zeigen die Frequenzabhängigkeit der Schwingung und die triboelektrische Ausgangsspannung an den Elektroden #2, #5 bzw. #8. Die schwarze Linie stellt die Schwingungsamplitude dar, während die Ausgabe der triboelektrischen Spannung durch die rote Linie aufgetragen wird. Das Ergebnis zeigt, dass jede Elektrode eine bestimmte Frequenz hat, bei der die Elektrode relativ große Ausgangsleistungen hat. Der lokale Bereich, in dem die lokale Resonanzfrequenz des PTFE mit der des eingehenden Schalls übereinstimmt, vibriert mit großer Amplitude, was zu einer Schwingungsspitze führt. Der Spitzenspannungsausgang der Elektrode 8 beträgt 104 mV, was dem lokalen Bereich der PTFE-Membran mit dem Vibrationsspitzenwert bei 1850 Hz entspricht. Analog dazu entsprachen die lokalen Regionen mit Schwingungsamplituden bei 200 und 1030 Hz der Spitze der triboelektrischen Spannungsausgabe der Elektroden 2 bzw. #5. Außerdem ist die Frequenzabhängigkeit der Schwingung qualitativ ähnlich der des triboelektrischen Spannungsausgangs.

Forschungsergebnis des triboelektrischen Spannungsausgangssignals und der Schwingungsamplitude von a Elektrode #2, b Elektrode Nr. 5 und c Elektrode #8, die mit einem LDV-System und einem Oszilloskop im Frequenzbereich von 20 bis 3000 Hz gemessen wurde, und eine Verteilung der Schwingungsverschiebung und des triboelektrischen Spannungsausgangssignals überlappten sich über die gesamte Frequenzbandbreite. d Experimentelle Ergebnisse zum Zusammenhang zwischen Elektrodenanzahl und lokaler Resonanzfrequenz der PTFE-Membran

Abbildung 4d zeigt die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz der lokalen Region und der Elektrodennummer. Die Anzahl der Elektroden repräsentiert den Abstand vom Boden des trapezförmigen Schlitzes. Offensichtlich verschiebt sich der Schwingungspeak mit zunehmender Schallfrequenz zu einer größeren Elektrodenanzahl, entsprechend der Basisregion der eigentlichen Basilarmembran in der Cochlea.

Wie zuvor beschrieben, ahmt der Membranakustiksensor die Basilarmembran der Cochlea nach, und das Funktionsprinzip kann durch zwei Teile erklärt werden, die akustische Membranvibration und die vibrationsinduzierte Stromerzeugung. Einerseits wurden die akustischen Schwingungsmuster der PTFE-Basilarmembran als Reaktion auf den externen Schalldruck in verschiedenen Frequenzbereichen von 20 bis 3000 Hz (dem Teil der hörbaren Frequenz des Menschen) von COMSOL Multiphysics emuliert, wie in Abb. 5 [31]. Aus dem Simulationsergebnis können wir entnehmen, dass die Amplitudenverteilung der PTFE-Membran eine deutliche Abhängigkeit von der akustischen Frequenz zeigt. Die Stelle mit der maximalen Amplitude, an der die PTFE-Membran lokal mitschwingt, verschiebt sich mit zunehmender Frequenz von der Grundlinie zur oberen Linie des trapezförmigen Bereichs, was gut zu den experimentellen Ergebnissen passt.

Die Comsol-Software wurde verwendet, um die Schwingungseigenschaften einer einzelnen PTFE-Membran bei der Frequenz a . zu stimulieren 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz

Andererseits ist die akustische Schwingung der durch PTFE-Membranen induzierten Stromerzeugung auf die Kopplung zwischen Kontaktelektrisierung und Elektrostatik zurückzuführen [32], wie in Abb. 6 gezeigt. Es gibt kein Spannungssignal, wenn der akustische Membransensor nicht verwendet wird durch ein Geräusch (Abb. 6a). Wenn der äußere Schalldruck die obere PTFE-Membran mit der Silberabscheidung auf der unteren PTFE-Membran in Kontakt bringt (Abb. 6b), greift das PTFE Elektronen aus der Silberschicht, wodurch die negativen triboelektrischen Ladungen durch ihre gegenüberliegenden Gegenstücke aufgrund elektrostatischer Ladung ausgeglichen werden Induktion [19]. Dadurch gibt es weder zwischen den beiden Schichten noch zwischen der Elektronik auf der oberen Membran und Masse eine Potentialdifferenz. Wenn der externe Schalldruck verschwindet, prallt die obere PTFE-Basilarmembran aufgrund ihrer Eigenelastizität von der unteren PTFE-Membran zurück. Zwischen zwei Membranschichten entsteht eine Lücke (Abb. 6c), über die aufgrund der triboelektrischen Ladungen das elektrische Potenzial einer bestimmten Elektrode abfällt, genau wie das Verhältnis zwischen Silberelektrode und Masse [33].

Das Diagramm des Funktionsprinzips des Sensors. a Ruhezustand, in dem das PTFE nicht geladen ist, ohne Schallstimulation. b Kontaktzustand, in dem die obere PTFE-Membran negativ geladen ist, unter Schalldruck. c Separater Zustand, in dem die obere und untere PTFE-Membran voneinander getrennt sind, treibt die Potenzialdifferenz freie Elektronen dazu, von der Masse zur Silberelektrode durch den externen Stromkreis zu fließen

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend demonstrieren wir einen neuartigen Ansatz zur Nachahmung der Funktion der Basilarmembran in der Cochlea, die einen wichtigen Einfluss auf die Frequenzselektivität hat, unter Verwendung eines Membransensors mit der akustisch/elektrischen Umwandlung basierend auf einem triboelektrischen Nanogenerator. Hauptbestandteil des akustischen Sensors ist die trapezförmige PTFE-Membran, die mit mehreren kleinen rechteckigen Silberelektroden beschichtet wurde. Die Schwingungseigenschaften und der elektrische Signalausgang einer trapezförmigen PTFE-Membran wurden durch Anlegen von Schallwellen mit einer bestimmten Frequenz mit dem Laser-Doppler-Vibrometer und dem Oszilloskop gemessen. Die Stelle mit der maximalen Amplitude wurde mit zunehmender Frequenz zu einem schmaleren Bereich der trapezförmigen PTFE-Membran verschoben. Dadurch könnte der Sensor die Funktion der Frequenzselektivität realisieren. Darüber hinaus wurde mit dem COMSOL eine Finite-Elemente-Simulation durchgeführt, um zu zeigen, dass die Beziehung zwischen der Amplitude der trapezförmigen PTFE-Membran und der einfallenden akustischen Welle an die experimentellen Ergebnisse angepasst ist. Der akustische Membransensor demonstriert eine neue und effektive Methode zur kostengünstigen Lösung des sensorineuralen Hörverlusts und bietet eine Alternative zur Behandlung von Taubheit durch triboelektrische Nanogeneratoren.

Abkürzungen

LDV:

Laser-Doppler-Vibrometer-Messsystem (LDV)

PM:

Polytetrafluorethylen-Membran

PTFE:

Polytetrafluorethylen

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator