Diseño de sensor acústico de membrana basilar coclear biónica para selectividad de frecuencia basado en nanogenerador triboeléctrico de película

Antecedentes

Hay muchas personas que sufren de impedimentos auditivos, causados ​​por muchas razones como la edad, el cáncer, la tuberculosis, el ruido, el abuso de drogas, el trauma físico en todo el mundo [1, 2, 3, 4]. Como una de las deficiencias auditivas más graves y típicas, la pérdida auditiva neurosensorial a menudo es causada por el daño o la pérdida de las células ciliadas del órgano de Corti en la cóclea, lo que conduce al trastorno de la discriminación de frecuencia de la función auditiva [5,6 , 7]. Las funciones más importantes de la cóclea son separar las ondas sonoras entrantes por sus frecuencias y convertir diferentes frecuencias de vibración inducida por el sonido en electricidad para estimular los nervios auditivos [8, 9]. La membrana basilar, que es una película especial, juega un papel importante en la selectividad de frecuencias. La mayoría de los pacientes que padecen hipoacusia neurosensorial optan por implantes de cóclea, que transforman la acústica en electricidad para estimular los nervios auditivos a través de una matriz eléctrica insertada en la cóclea [10, 11]. Sin embargo, estos implantes de cóclea hacen que los pacientes se sientan muy incómodos porque tienen muchos equipos adicionales ubicados en la cabeza de los pacientes, lo que resulta en muchos inconvenientes cuando los pacientes duermen o practican la excisión. Por otro lado, también necesitan dispositivos periféricos que proporcionen energía eléctrica a todo el sistema [12]. Para superar esas desventajas, la fabricación de un artículo autoamplificado y una cóclea artificial implantable totalmente autónoma ha sido el foco de los esfuerzos de muchos investigadores a nivel mundial.

Para realizar la función de la selectividad de frecuencias como la cóclea, se han informado algunos dispositivos de micro-nano estructuras. Juichi Ito y Keon Jae Lee et al. Sensor acústico fabricado que puede lograr la función de selectividad de frecuencias basado en materiales piezoeléctricos [13,14,15]. Sin embargo, la salida de voltaje de estos dispositivos es relativamente baja y varía desde varios microvoltios hasta aproximadamente 100 μV debido a la respuesta de bajo voltaje de la piezoelectricidad. Por otro lado, H Shintaku et al. Demostrar un sensor acústico fabricado con una matriz de microhaz que solo podría realizar las frecuencias en la frecuencia más alta cuando se compara con la auditiva [16]. Pero todos estos diseños tienen algunos tipos de debilidades notables, como el complejo procedimiento de fabricación de los dispositivos, baja producción de electricidad y selección de frecuencia.

Como campo tecnológico de reciente aparición, el nanogenerador triboeléctrico (TENG) se convierte en un método ideal para superar todos estos problemas [17,18,19]. Basado en el acoplamiento de la electrificación y la inducción electrostática, se puede obtener fácilmente una salida eléctrica maravillosa con menos gastos y una estructura simple, evitando un sofisticado proceso de fabricación. Tal mecanismo / diseño manejable ha derivado una gran cantidad de estructuras para rescatar fácilmente varios tipos de energía mecánica y ha hecho que el dispositivo autoamplificado ya no sea un sueño [20, 21, 22, 23]. Para ser detallados, los TENG se desarrollan esencialmente para la conversión de energía mecánica a eléctrica micro o nanoescópica, que es mucho más compatible con la vibración del flujo de aire y fomenta una serie de investigaciones al respecto [24, 25]. Por ejemplo, al absorber sutilmente energía acústica, Yang et al. han logrado grabar vívidamente la impresión vocal con un micrófono autoamplificado basado en TENG [26]. Tenga en cuenta que estos dispositivos son muy sensibles a la alternancia de frecuencias mecánicas, lo que ilumina el avance de los componentes selectivos de frecuencia de próxima generación.

En este artículo, demostramos un tipo de dispositivo acústico que realiza tanto la selectividad de frecuencia como la transformación de la energía acústica en energía eléctrica. Nuestro dispositivo está compuesto por dos piezas de membrana de politetrafluoroetileno (PTFE) que se fijan en una hendidura trapezoidal ubicada sobre placa acrílica, donde la membrana de PTFE sobre la hendidura actúa como sensor. La función de la membrana de politetrafluoroetileno (PM) corresponde a la capacidad de la membrana basilar natural, y se confirma con éxito en función de la vibración de la PM que se produce en diferentes lugares locales de acuerdo con la frecuencia de las ondas sonoras entrantes.

Métodos / Experimental

La figura 1 muestra los dibujos esquemáticos que describen la membrana basilar de la cóclea. La membrana basilar juega un papel importante en la audición pasiva [27]. Su forma es similar a un marco trapezoidal que está retorcido en espiral y cubierto por una fina membrana. Debido a su característica geométrica, la membrana basilar es capaz de separar mecánicamente los componentes de frecuencia contenidos en las ondas acústicas entrantes. La región apical de la membrana basilar responde a ondas acústicas altas y la región basal solo reacciona a sonidos de baja frecuencia. Cuando la ubicación específica de la membrana basilar es vibrada por su onda acústica de frecuencia de resonancia, las células ciliadas que se encuentran en la membrana abren o cierran el canal iónico para generar potencial eléctrico [28].

Esquemas conceptuales de las membranas coclear y basilar. La membrana basilar es una película delgada en espiral, cuyo ancho se redujo gradualmente desde el ápice hasta el basal

La designación de sensor acústico de membrana se muestra en la Fig. 2. El dispositivo consta principalmente de dos capas de membranas de PTFE, una pieza de película de poliimida Kapton y dos piezas de placas acrílicas con ranuras trapezoidales. La placa acrílica es una placa rectangular, con una longitud de 120 mm, una anchura de 60 mm y un grosor de 4 mm. La hendidura trapezoidal está ubicada en el medio de las placas acrílicas, y la longitud de la línea de base y la línea superior es de 30 y 10 mm, respectivamente, con una altura de 100 mm. Las membranas de PTFE son similares a las placas acrílicas en longitud y ancho, excepto que el grosor es de solo 20 μm. La forma trapezoidal se inspiró en la membrana basilar coclear con su frecuencia de resonancia local cambia gradualmente desde la línea superior a la línea de base [29, 30]. La matriz de electrodos con nueve elementos hechos de la deposición de plata se fabrica en la parte superior de las membranas de PTFE basadas en el Magnetism Sputter System. Dado que los electrodos de aproximadamente 200 nm de espesor son extremadamente más delgados que los de PTFE (40 μm), no afectarán las características de vibración del PTFE. Por conveniencia, los electrodos se nombran como # 1 ~ # 9 de abajo hacia arriba de la membrana trapezoidal, respectivamente, como se muestra en la Fig. 2b. El tamaño de cada electrodo es 4 * 8 mm ² con forma de rectángulo, y la distancia en el plano entre dos electrodos adyacentes es de 10 mm. La película dura Kapton, que tiene el mismo tamaño que la placa acrílica, se coloca entre las dos membranas de PTFE. El grosor de la membrana Kapton determinará el límite de detección de presión sonora. La función de la película Kapton es crear un espacio estrecho entre las dos capas de la membrana de PTFE. La película Kapton y las membranas de PTFE se cubrieron sin tensiones en el medio de dos placas acrílicas con las ranuras trapezoidales con pegamento adhesivo. La vibración de PM se mide utilizando un sistema de medición de vibrómetro láser Doppler (LDV) y un analizador de nivel de sonido en las diversas frecuencias en el rango de 100 a 3000 Hz. La salida de la señal eléctrica se mide a través de los electrodos utilizando un preamplificador.

Diseño estructural del sensor de membrana biónica. un La vista en 3D de los componentes principales del dispositivo para la selectividad de frecuencia. Están pegadas entre sí y solo las membranas de PTFE elásticas rodeadas por la ranura trapezoidal pueden vibrar libremente bajo la estimulación sonora. b La vista superior del sensor. Los electrodos, hechos de deposición de plata, están numerados del electrodo n. ° 1 al n. ° 9

Resultados y discusión

Primero investigamos el efecto de la presión sonora sobre las amplitudes de vibración de la membrana de PTFE y la salida de voltaje triboeléctrico por LDV y osciloscopio, respectivamente. La Figura 3 muestra la relación entre la presión sónica externa y la amplitud de vibración en la membrana de PTFE. Aquí, elegimos la señal de los electrodos que están numerados como # 2, # 5 y # 8. La presión del sonido es proporcionada por un altavoz que podría emitir una onda acústica sinusoidal que estaba a 100 mm de distancia del dispositivo con un pequeño ángulo de inclinación. Como puede verse en la Fig. 3a, la amplitud de la vibración en cada electrodo aumenta linealmente con el aumento de la presión del sonido. Además, la amplitud aumenta cuando aumenta el número de electrodos. La Figura 3b muestra la relación entre la presión sonora y la amplitud de la salida de voltaje triboeléctrico. La amplitud de la salida triboeléctrica también demuestra una relación lineal con la presión del sonido. Estos resultados demuestran que el sensor acústico de membrana puede detectar la magnitud de la onda acústica examinando el voltaje del nanogenerador triboeléctrico.

Resultados experimentales del efecto de la presión acústica sobre las amplitudes a de la vibración y b de salida de tensión triboeléctrica. Aparentemente, es una especie de relación lineal entre amplitud y presión sonora

A continuación, investigamos la capacidad de sintonización del sensor acústico de membrana con selectividad de frecuencia. La Figura 4a-c muestra que la dependencia de la frecuencia de la vibración y la salida de voltaje triboeléctrico en los electrodos n. ° 2, n. ° 5 y n. ° 8, respectivamente. La línea negra representa la amplitud de la vibración, mientras que la salida de voltaje triboeléctrico se traza con una línea roja. El resultado muestra que cada electrodo tiene una frecuencia particular donde el electrodo tiene salidas relativamente grandes. La región local, donde la frecuencia de resonancia local del PTFE coincide con la del sonido entrante, vibra con gran amplitud y produce un pico de vibración. El pico de salida de voltaje del electrodo n. ° 8 es 104 mV, que corresponde a la región local de la membrana de PTFE con el pico de vibración a 1850 Hz. De manera análoga, las regiones locales con amplitudes de vibración a 200 y 1030 Hz correspondieron al pico de salida de voltaje triboeléctrico de los electrodos # 2 y # 5, respectivamente. Además, la dependencia de la frecuencia de la vibración es cualitativamente similar a la salida de voltaje triboeléctrico.

Resultado de la investigación de la señal de salida de tensión triboeléctrica y la amplitud de vibración de a electrodo n. ° 2, b electrodo n. ° 5 y c electrodo n. ° 8, que se midió con el sistema LDV y el osciloscopio en la frecuencia de 20 a 3000 Hz, y una distribución del desplazamiento de vibración y la señal de salida de voltaje triboeléctrico se superpusieron estrechamente en todo el ancho de banda de frecuencia. d Resultados experimentales de la relación entre el número de electrodo y la frecuencia de resonancia local de la membrana de PTFE

La figura 4d muestra la relación entre la frecuencia de resonancia de la región local y el número de electrodo. El número de electrodo representa la distancia desde la parte inferior de la hendidura trapezoidal. Obviamente, a medida que aumentaba la frecuencia del sonido, el pico de vibración se inclinaba hacia un mayor número de electrodos, correspondiente a la región de la base de la membrana basilar real en la coclear.

Como se describió anteriormente, el sensor acústico de membrana imita la membrana basilar coclear y el principio de funcionamiento se puede explicar mediante dos partes, la vibración acústica de la membrana y la generación de electricidad inducida por vibración. Por un lado, los patrones de vibración acústica de la membrana basilar de PTFE en respuesta a la presión sonora externa en diferentes frecuencias en el rango de 20 a 3000 Hz (la parte de la frecuencia audible humana), fueron emulados por COMSOL Multiphysics, como se demuestra en la Fig. 5 [31]. A partir del resultado de la simulación, podemos encontrar que la distribución de amplitud de la membrana de PTFE muestra claramente una dependencia de la frecuencia acústica. El lugar con la máxima amplitud, donde la membrana de PTFE resuena localmente, cambia de la línea base a la línea superior del área trapezoidal a medida que aumenta la frecuencia, lo que se ajusta bien a los resultados experimentales.

Se empleó el software Comsol para estimular las características de vibración de una sola membrana de PTFE a la frecuencia de a 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz

Por otro lado, la vibración acústica de la generación de electricidad inducida por la membrana de PTFE se atribuye al acoplamiento entre la electrificación por contacto y la electrostática [32], como se muestra en la Fig. 6. No hay ninguna señal de voltaje cuando no se aplica el sensor acústico de membrana. por un sonido (Fig. 6a). Cuando la presión del sonido externo hace que la membrana de PTFE superior entre en contacto con la deposición de plata en la membrana de PTFE inferior (Fig.6b), el PTFE agarra electrones de la capa de plata, lo que hace que las cargas triboeléctricas negativas se equilibren con sus contrapartes opuestas debido a la electrostática. inducción [19]. Como resultado, no hay diferencia de potencial entre las dos capas ni entre la electrónica de la membrana superior y la tierra. Cuando desapareció la presión sonora externa, la membrana basilar superior de PTFE se recuperará de la membrana de PTFE inferior debido a su elasticidad inherente. Surgirá un espacio entre dos capas de membranas (Fig. 6c), que conducen a la caída del potencial eléctrico de un determinado electrodo a través de ellas debido a las cargas triboeléctricas, al igual que la relación entre el electrodo de plata y la tierra [33].

El diagrama del principio de funcionamiento del sensor. un Estado de reposo, en el que el PTFE no está cargado, sin estimulación sonora. b Estado de contacto, en el que la membrana superior de PTFE está cargada negativamente, bajo presión sonora. c Estado separado, en el que la membrana de PTFE superior e inferior se separan entre sí, la diferencia de potencial hace que los electrones libres fluyan desde el suelo hasta el electrodo de plata a través del circuito externo

Conclusiones

En resumen, demostramos un enfoque novedoso para imitar la función de la membrana basilar en la cóclea que tiene un efecto importante de selectividad de frecuencia, mediante el uso de un sensor de membrana con la conversión acústica / eléctrica basada en nanogenerador triboeléctrico. La membrana de PTFE trapezoidal, que estaba recubierta por varios electrodos de plata pequeños rectangulares, es el componente principal del sensor acústico. Las características de vibración y la salida de señal eléctrica de la membrana de PTFE trapezoidal se midieron aplicando ondas sonoras a una determinada frecuencia, con el vibrómetro láser Doppler y el osciloscopio. La ubicación con la máxima amplitud se desplazó hacia un área más estrecha de la membrana de PTFE trapezoidal a medida que aumentaba la frecuencia. De esta manera, el sensor podría realizar la función de selectividad de frecuencia. Además, se realizó una simulación de elementos finitos con COMSOL para demostrar que la relación entre la amplitud de la membrana de PTFE trapezoidal y la onda acústica entrante se ajusta a los resultados experimentales. El sensor acústico de membrana demuestra un método nuevo y eficaz para solucionar la hipoacusia neurosensorial a bajo coste y proporciona una alternativa al tratamiento de la sordera mediante nanogenerador triboeléctrico.

Abreviaturas

LDV:

Sistema de medición con vibrómetro láser Doppler (LDV)

PM:

Membrana de politetrafluoroetileno

PTFE:

Politetrafluoroetileno

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico

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