Projeto do sensor acústico de membrana basilar coclear biônica para seletividade de frequência com base em nanogerador triboelétrico de filme

Resumo

A perda auditiva neurossensorial está no topo da lista das doenças que mais sofrem devido às suas características crônicas, urgentes e deficientes, que podem ocorrer em todas as faixas etárias, desde recém-nascidos até idosos. O design técnico retardado, bem como a dependência de energia externa do implante coclear convencional, sobrecarrega os pacientes e restringe sua aplicação prática mais ampla, levando os pesquisadores a buscar melhorias fundamentais. Neste artigo, propusemos com sucesso um novo sensor acústico de membrana basilar coclear biônica em conjugação com nanogerador triboelétrico. Ao distribuir trapezoidalmente nove eletrodos de prata em ambas as membranas de politetrafluoroetileno, uma função altamente seletiva de frequência foi cumprida neste dispositivo, variando de 20 a 3000 Hz. Acredita-se que seja mais perceptível com o incremento do número de eletrodos, referindo-se à própria membrana basilar da cóclea. Além disso, o dispositivo as-made pode ser um tanto autoalimentado por meio da absorção da energia de vibração transportada pelo som, o que facilita tremendamente seus usuários potenciais. Como consequência, o elaborado sistema biônico fornece uma perspectiva inovadora para lidar com o problema da perda auditiva neurossensorial.

Histórico

Existem muitas pessoas que sofrem de problemas auditivos, que são causados por diversos motivos, como idade, câncer, tuberculose, ruído, abuso de drogas, traumas físicos em todo o mundo [1,2,3,4]. Como uma das deficiências auditivas mais graves e típicas, a perda auditiva neurossensorial é frequentemente causada pelo dano ou perda das células ciliadas do órgão de Corti na cóclea, o que leva ao distúrbio de discriminação de frequência da função auditiva [5,6 , 7]. As funções mais importantes da cóclea são separar as ondas sonoras de entrada por suas frequências e converter diferentes frequências de vibração induzida por som em eletricidade para estimular os nervos auditivos [8, 9]. A membrana basilar, que é um filme especial, desempenha um papel significativo na seletividade das frequências. A maioria dos pacientes que sofrem de perda auditiva neurossensorial opta por implantes de cóclea, que transformam o acústico em eletricidade para estimular os nervos auditivos por meio de um arranjo elétrico inserido na cóclea [10, 11]. No entanto, esses implantes de cóclea fazem os pacientes se sentirem muito desconfortáveis, pois eles têm muitos equipamentos adicionais localizados na cabeça dos pacientes, o que resulta em muitos inconvenientes quando os pacientes dormem ou fazem uma excisão. Por outro lado, também precisam de dispositivos periféricos para fornecer energia elétrica para todo o sistema [12]. Para superar essas desvantagens, a fabricação de um artigo com alimentação própria e uma cóclea artificial implantável totalmente autocontida tem sido o foco dos esforços de muitos pesquisadores em todo o mundo.

Para realizar a função de seletividade de frequências como a cóclea, alguns dispositivos de micro-nanoestruturas foram relatados. Juichi Ito e Keon Jae Lee et al. sensor acústico fabricado que pode cumprir a função de seletividade de frequências com base em materiais piezoelétricos [13,14,15]. No entanto, a saída de tensão desses dispositivos é relativamente baixa, variando de vários microvolt a cerca de 100 μV devido à resposta de baixa tensão da piezoeletricidade. Por outro lado, H Shintaku et al. demonstrar um sensor acústico fabricado de um micro-feixe que só poderia perceber as frequências na frequência mais alta quando comparado com o áudio [16]. Mas todos esses projetos têm alguns tipos de fraquezas notáveis, como procedimentos complexos de fabricação dos dispositivos, baixa produção de eletricidade e seleção de frequência.

Como um campo de tecnologia emergente, o nanogerador triboelétrico (TENG) se torna um método ideal para superar todos esses problemas [17,18,19]. Com base no acoplamento de eletrificação e indução eletrostática, uma maravilhosa saída elétrica pode ser facilmente obtida com menos despesas e estrutura simples, evitando processos sofisticados de fabricação. Tal mecanismo / projeto tratável derivou um grande número de estruturas para limpar facilmente vários tipos de energia mecânica e fez com que o dispositivo autoalimentado não fosse mais um sonho [20,21,22,23]. Para ser mais detalhado, os TENGs são essencialmente desenvolvidos para conversão de energia mecânica em elétrica micro ou nano-escópica, que é muito mais compatível com a vibração do fluxo de ar e incentiva uma série de pesquisas a respeito [24, 25]. Por exemplo, ao absorver sutilmente a energia acústica, Yang et al. conseguiram gravar vividamente a impressão vocal com um microfone baseado em TENG autoalimentado [26]. Observe que esses dispositivos são muito sensíveis à alternância da frequência mecânica, iluminando o avanço dos componentes seletivos de frequência da próxima geração.

Neste artigo, demonstramos um tipo de dispositivo acústico que realiza tanto a seletividade de frequência quanto a transformação da energia acústica em energia elétrica. Nosso dispositivo é composto por duas peças de membrana de politetrafluoretileno (PTFE) que são fixadas em uma fenda trapezoidal localizada em uma placa de acrílico, onde a membrana de PTFE sobre a fenda funciona como sensor. A função da membrana de politetrafluoroetileno (PM) é correspondente à capacidade da membrana basilar natural, e é confirmada com sucesso com base na vibração da PM ocorrida em diferentes locais de acordo com a frequência das ondas sonoras de entrada.

Métodos / Experimental

A Figura 1 mostra os desenhos esquemáticos que descrevem a membrana basilar da cóclea. A membrana basilar desempenha um papel importante na audição passiva [27]. Sua forma é semelhante a uma moldura trapezoidal que é torcida em espiral e coberta por uma membrana fina. Devido à sua característica geométrica, a membrana basilar é capaz de separar mecanicamente os componentes da frequência contidos nas ondas acústicas incidentes. A região apical da membrana basilar responde a ondas acústicas altas, e a região basal apenas reage a sons de baixa frequência. Quando a localização específica da membrana basilar é vibrada por sua onda acústica de frequência de ressonância, as células ciliadas na membrana abrem ou fecham o canal iônico para gerar potencial elétrico [28].

Esquemas conceituais da cóclea e da membrana basilar. A membrana basilar é uma película fina em espiral, cuja largura foi reduzida gradualmente desde o ápice até a base.

A designação do sensor acústico de membrana é mostrada na Fig. 2. O dispositivo compreende principalmente duas camadas de membranas de PTFE, uma peça de filme de poliimida Kapton e duas peças de placas de acrílico com fendas trapezoidais. A placa de acrílico é uma placa retangular, com comprimento de 120 mm, largura de 60 mm e espessura de 4 mm. A fenda trapezoidal está localizada no meio das placas de acrílico, e o comprimento da linha de base e da linha superior é de 30 e 10 mm, respectivamente, com altura de 100 mm. As membranas de PTFE são semelhantes às placas de acrílico em comprimento e largura, exceto que a espessura é de apenas 20 μm. A forma trapezoidal foi inspirada pela membrana basilar coclear com sua frequência ressonante local muda gradualmente da linha superior à linha de base [29, 30]. O conjunto de eletrodos com nove elementos feitos de deposição de prata é fabricado na parte superior das membranas de PTFE com base no sistema de pulverização catódica de magnetismo. Como os eletrodos com cerca de 200 nm de espessura são extremamente mais finos do que os do PTFE (40 μm), eles não afetarão as características de vibração do PTFE. Por conveniência, os eletrodos são nomeados como # 1 ~ # 9 de baixo para cima da membrana trapezoidal, respectivamente, conforme mostrado na Fig. 2b. O tamanho de cada eletrodo é 4 * 8 mm ² com uma forma retângulo, e a distância no plano entre dois eletrodos adjacentes é de 10 mm. O filme duro Kapton, que tem o mesmo tamanho da placa de acrílico, é colocado entre as duas membranas de PTFE. A espessura da membrana Kapton determinará o limite de detecção da pressão sonora. O papel do filme Kapton é fazer um espaço estreito entre as duas camadas da membrana de PTFE. O filme de Kapton e as membranas de PTFE foram cobertos sem deformações no meio de duas placas de acrílico com as fendas trapezoidais com cola adesiva. A vibração do PM é medida por meio de um sistema de medição de vibrômetro a laser Doppler (LDV) e um analisador de nível de som em várias frequências na faixa de 100 a 3000 Hz. A saída do sinal elétrico é medida através dos eletrodos usando um pré-amplificador.

Projeto estrutural do sensor de membrana biônica. a A visualização 3D dos principais componentes do dispositivo para seletividade de frequência. Eles são colados uns aos outros, e apenas as membranas de PTFE elásticas circundadas pela fenda trapezoidal podem vibrar livremente sob a estimulação sonora. b A vista superior do sensor. Os eletrodos, feitos de deposição de prata, são numerados do eletrodo # 1 a # 9

Resultados e discussão

Investigamos primeiro o efeito da pressão sonora nas amplitudes das amplitudes de vibração da membrana PTFE e da saída de tensão triboelétrica por LDV e osciloscópio, respectivamente. A Figura 3 mostra a relação entre a pressão sônica externa e a amplitude de vibração na membrana de PTFE. Aqui, escolhemos o sinal dos eletrodos numerados como # 2, # 5 e # 8. A pressão sonora é fornecida por um alto-falante que pode emitir uma onda acústica sinusoidal distante 100 mm do dispositivo com um pequeno ângulo de inclinação. Como pode ser visto na Fig. 3a, a amplitude de vibração em cada eletrodo aumenta linearmente com o aumento da pressão sonora. Além disso, a amplitude aumenta quando o número do eletrodo aumenta. A Figura 3b mostra a relação entre a pressão do som e a amplitude da tensão triboelétrica de saída. A amplitude da saída triboelétrica também demonstra uma relação linear com a pressão do som. Esses resultados provam que o sensor acústico de membrana pode detectar a magnitude da onda acústica examinando a tensão do nanogerador triboelétrico.

Resultados experimentais no efeito da pressão acústica nas amplitudes a da vibração e b de saída de tensão triboelétrica. Aparentemente, é uma espécie de relação linear entre amplitude e pressão sonora

Em seguida, investigamos a capacidade de ajuste do sensor acústico de membrana com seletividade de frequência. A Figura 4a-c mostra a dependência da frequência de vibração e a saída de tensão triboelétrica nos eletrodos # 2, # 5 e # 8, respectivamente. A linha preta representa a amplitude da vibração, enquanto a saída da tensão triboelétrica é traçada pela linha vermelha. O resultado mostra que cada eletrodo tem uma frequência particular, onde o eletrodo tem saídas relativamente grandes. A região local, onde a frequência de ressonância local do PTFE coincide com a do som de entrada, vibra com grande amplitude resultando em um pico de vibração. O pico de tensão de saída do eletrodo # 8 é 104 mV, que corresponde à região local da membrana de PTFE com o pico de vibração em 1850 Hz. Analogamente, as regiões locais com amplitudes de vibração em 200 e 1030 Hz corresponderam ao pico da tensão triboelétrica de saída dos eletrodos # 2 e # 5, respectivamente. Além disso, a dependência da frequência de vibração é qualitativamente semelhante à saída de tensão triboelétrica.

Resultado da pesquisa do sinal de saída de tensão triboelétrica e a amplitude de vibração de a eletrodo # 2, b eletrodo # 5 e c eletrodo # 8, que foi medido pelo sistema LDV e osciloscópio na frequência variando de 20 a 3000 Hz, e uma distribuição do deslocamento de vibração e o sinal de saída de tensão triboelétrica foram intimamente sobrepostos em toda a largura de banda de frequência. d Resultados experimentais da relação entre o número do eletrodo e a frequência de ressonância local da membrana PTFE

A Figura 4d mostra a relação entre a frequência de ressonância da região local e o número do eletrodo. O número de eletrodos representa a distância da parte inferior da fenda trapezoidal. Obviamente, conforme a frequência do som aumentava, o pico de vibração tendia a se deslocar em direção a um número maior de eletrodos, correspondendo à região da base da membrana basilar real na cóclea.

Conforme descrito anteriormente, o sensor acústico de membrana imita a membrana basilar coclear e o princípio de operação pode ser explicado por duas partes, vibração acústica da membrana e geração de eletricidade induzida por vibração. Por um lado, os padrões de vibração acústica da membrana basilar de PTFE em resposta à pressão sonora externa em diferentes frequências na faixa de 20 a 3000 Hz (a parte da frequência audível humana), foram emulados pelo COMSOL Multiphysics, conforme demonstrado na Fig. 5 [31]. A partir do resultado da simulação, podemos descobrir que a distribuição de amplitude da membrana de PTFE mostra claramente dependência da frequência acústica. O local com amplitude máxima, onde a membrana de PTFE está ressonando localmente, muda da linha de base para a linha superior da área trapezoidal conforme o aumento da frequência, o que se ajusta bem aos resultados experimentais.

O software Comsol foi empregado para estimular as características de vibração de uma única membrana de PTFE na frequência de a 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz

Por outro lado, a vibração acústica da geração de eletricidade induzida por membrana de PTFE é atribuição ao acoplamento entre a eletrificação de contato e a eletrostática [32], conforme mostrado na Fig. 6. Não há nenhum sinal de tensão quando o sensor acústico de membrana não é aplicado por um som (Fig. 6a). Quando a pressão sonora externa faz com que a membrana de PTFE superior entre em contato com a deposição de prata na membrana de PTFE inferior (Fig. 6b), o PTFE agarra elétrons da camada de prata, o que torna as cargas triboelétricas negativas equilibradas por suas contrapartes opostas devido à eletrostática indução [19]. Como resultado, não há diferença de potencial entre as duas camadas nem entre o sistema eletrônico na membrana superior e o solo. Quando a pressão sonora externa desaparece, a membrana basilar de PTFE superior se recupera da membrana de PTFE inferior por causa de sua elasticidade inerente. Uma lacuna surgirá entre duas camadas de membrana (Fig. 6c), que conduzem a queda do potencial elétrico de um determinado eletrodo através delas devido às cargas triboelétricas, a mesma da relação entre o eletrodo de prata e o solo [33].

O diagrama do princípio de funcionamento do sensor. a Estado de repouso, no qual o PTFE não está carregado, sem estimulação sonora. b Estado de contato, em que a membrana superior de PTFE está carregada negativamente, sob pressão sonora. c Estado separado, no qual a membrana PTFE superior e inferior se separam uma da outra, a diferença de potencial leva os elétrons livres a fluir do solo para o eletrodo de prata através do circuito externo

Conclusões

Em resumo, demonstramos uma nova abordagem para simular a função da membrana basilar na cóclea que tem um importante efeito de seletividade em frequência, usando um sensor de membrana com conversão acústica / elétrica baseada em nanogerador triboelétrico. A membrana trapezoidal de PTFE, que foi revestida por vários pequenos eletrodos retangulares de prata, é o principal componente do sensor acústico. As características de vibração e a saída do sinal elétrico da membrana trapezoidal de PTFE foram medidas por meio da aplicação de ondas sonoras em uma determinada frequência, com o vibrômetro laser Doppler e o osciloscópio. O local com a amplitude máxima foi deslocado para a área mais estreita da membrana trapezoidal de PTFE à medida que a frequência aumentava. Por este meio, o sensor pode realizar a função de seletividade de frequência. Além disso, uma simulação de elementos finitos foi conduzida com o COMSOL para mostrar que a relação entre a amplitude da membrana trapezoidal de PTFE e a onda acústica de entrada são adequadas aos resultados experimentais. O sensor acústico de membrana demonstra um método novo e eficaz para solucionar a perda auditiva neurossensorial com baixo custo e oferece uma alternativa ao tratamento da surdez por nanogerador triboelétrico.

Abreviações

LDV:: Sistema de medição de vibrômetro laser Doppler (LDV)
PM:: Membrana de politetrafluoroetileno
PTFE:: Politetrafluoroetileno
TENG:: Nanogerador triboelétrico

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