フィルム摩擦電気ナノ発電機に基づく周波数選択性のためのバイオニック蝸牛基底膜音響センサーの設計

要約

感音難聴は、新生児から老人まで、すべての年齢層に起こりうる慢性、精神的圧迫、および障害のある特徴のために、最も苦しんでいる病気のリストのトップにあります。従来の人工内耳カンバーの遅れた技術設計と外部電力依存性は患者を苦しめ、その幅広い実用化を制限し、研究者は根本的な改善を模索するようになりました。この論文では、摩擦電気ナノ発電機と組み合わせた新しいバイオニック蝸牛基底膜音響センサーの提案に成功しました。 2つのポリテトラフルオロエチレンメンブレンの両方に9つの銀電極を台形に配置することにより、このガジェットでは20〜3000Hzの範囲で高度に周波数選択的な機能が実現されました。蝸牛の実際の基底膜を参照すると、電極数の増加により識別しやすくなると考えられています。その上、製造されたままのデバイスは、音によって運ばれる振動エネルギーの吸収を介していくらかセルフパワーで動くことができ、それはその潜在的なユーザーを非常に容易にします。結果として、精巧な生体工学システムは、感音難聴の問題に取り組む革新的な視点を提供します。

背景

世界中で、年齢、癌、結核、騒音、薬物乱用、身体的外傷などの多くの理由によって引き起こされる聴覚障害に苦しむ多くの人々がいます[1,2,3,4]。最も深刻で典型的な聴覚障害の1つとして、感音難聴は、蝸牛のコルチ器の有毛細胞の損傷または喪失によって引き起こされることが多く、聴覚機能の周波数弁別の障害につながります[5,6 、7]。蝸牛の最も重要な機能は、入ってくる音波をそれらの周波数で分離し、音によって誘発される振動の異なる周波数を電気に変換して聴覚神経を刺激することです[8、9]。特殊な膜である基底膜は、周波数選択性に重要な役割を果たします。感音難聴に苦しむ患者のほとんどは、蝸牛インプラントを選択します。人工内耳は、蝸牛に挿入された電気アレイを介して音響を電気に変換し、聴覚神経を刺激します[10、11]。ただし、これらの人工内耳は、患者の頭に多くの追加の機器が配置されているため、患者に非常に不快感を与えます。これにより、患者が睡眠または切除するときに多くの不便が生じます。一方、すべてのシステムに電気エネルギーを供給するための周辺機器も必要です[12]。これらの欠点を克服するために、自家動力の物品と完全に自給自足の移植可能な人工蝸牛を製造することは、世界中の多くの研究者によって努力の焦点となってきました。

蝸牛のような周波数選択性の機能を実現するために、いくつかのマイクロナノ構造デバイスが報告されています。伊藤十一、イ・ケオン・ジェ他圧電材料に基づく周波数選択性の機能を実現できる製造された音響センサー[13、14、15]。ただし、これらのデバイスの電圧出力は比較的低く、圧電性の電圧応答が低いため、数マイクロボルトから約100μVの範囲です。一方、H新拓ほか。マイクロビームアレイで製造された音響センサーを示します。これは、オーディルのものと比較した場合にのみ、より高い周波数の周波数を実現できます[16]。しかし、これらの設計にはすべて、デバイスの複雑な製造手順、低電力出力、周波数選択など、いくつかの顕著な弱点があります。

新たに出現した技術分野として、摩擦電気ナノ発電機（TENG）は、これらすべての問題を克服するための理想的な方法になります[17、18、19]。帯電と静電誘導の組み合わせに基づいて、優れた電気出力をより少ない費用とシンプルな構造で簡単に得ることができ、高度な製造プロセスを回避できます。このような扱いやすいメカニズム/設計により、さまざまな種類の機械的エネルギーを簡単に除去するための多数の構造が導き出され、セルフパワーデバイスはもはや夢ではなくなりました[20、21、22、23]。詳細には、TENGは基本的に、マイクロまたはナノスコピックな機械から電気へのエネルギー変換用に開発されています。これは、気流の振動との互換性がはるかに高く、それに関する一連の研究を促進します[24、25]。たとえば、音響エネルギーを微妙に吸収することによって、Yang etal。セルフパワーのTENGベースのマイクを使用してボーカルプリントを鮮やかに録音することができました[26]。これらのデバイスは、機械的周波数の変化に非常に敏感であり、次世代の周波数選択コンポーネントの進歩を啓発することに注意してください。

この論文では、周波数選択性と音響エネルギーの電気エネルギーへの変換の両方を実現する一種の音響デバイスを示します。私たちのデバイスは、アクリル板上にある台形のスリットに固定された2枚のポリテトラフルオロエチレン（PTFE）膜で構成されており、スリット上のPTFE膜がセンサーとして機能します。ポリテトラフルオロエチレン膜（PM）の機能は、自然の基底膜の機能に対応しており、音波の周波数に応じて、さまざまな場所で発生するPMの振動に基づいて確認することができます。

メソッド/実験

図1に、蝸牛の基底膜を描いた概略図を示します。基底膜は受動聴力において重要な役割を果たします[27]。その形状は、らせん状にねじられ、薄い膜で覆われた台形のフレームに似ています。その幾何学的特徴のために、基底膜は、入ってくる音波に含まれる周波数成分を機械的に分離することができます。基底膜の頂端領域は高音波に反応し、基底領域は低周波音にのみ反応します。基底膜の特定の位置がその共鳴周波数の音波によって振動すると、膜上にある有毛細胞がイオンチャネルを開閉して電位を生成します[28]。

メンブレン音響センサーの名称を図2に示します。このデバイスは、主に2層のPTFEメンブレン、1枚のカプトンポリイミドフィルム、および台形のスリットが付いた2枚のアクリルプレートで構成されています。アクリル板は、長さ120 mm、幅60 mm、厚さ4mmの長方形の板です。台形のスリットはアクリル板の中央にあり、ベースラインとトップラインの長さはそれぞれ30mmと10mmで、高さは100mmです。 PTFEメンブレンは、厚さがわずか20 µmであることを除けば、長さと幅がアクリルプレートと似ています。台形の形状は、局所的な共振周波数がトップラインからベースラインに向かって徐々に変化する蝸牛基底膜に触発されました[29、30]。銀蒸着で作られた9つの要素を備えた電極アレイは、磁気スパッタシステムに基づいてPTFEメンブレンの上面に製造されています。厚さ約200nmの電極はPTFE（40μm）よりも非常に薄いため、PTFEの振動特性に影響を与えません。便宜上、図2bに示すように、電極には台形膜の下から上に向かってそれぞれ＃1〜＃9という名前が付けられています。各電極のサイズは4 * 8 mm ² 長方形で、隣接する2つの電極間の面内距離は10mmです。アクリル板と同じサイズのカプトン硬質フィルムを2枚のPTFEメンブレンの間に配置します。カプトン膜の厚さが音圧検出限界を決定します。カプトンフィルムの役割は、PTFE膜の2つの層の間に狭いギャップを作ることです。カプトンフィルムとPTFEメンブレンは、2枚のアクリルプレートの中央を無ひずみで覆い、接着剤で台形のスリットを入れました。 PMの振動は、レーザードップラー振動計測定システム（LDV）とサウンドレベルアナライザーを使用して、100〜3000Hzの範囲のさまざまな周波数で測定されます。電気信号出力は、プリアンプを使用して電極を介して測定されます。

結果と考察

最初に、音圧がPTFE膜の振動振幅の振幅と、LDVおよびオシロスコープによってそれぞれ出力される摩擦電圧に及ぼす影響を調査しました。図3は、PTFE膜の外部音圧と振動振幅の関係を示しています。ここでは、＃2、＃5、および＃8として番号が付けられた電極からの信号を選択します。音圧は、デバイスから100 mm離れた正弦波の音波を小さな角度で傾けて放出できるスピーカーによって提供されます。図3aに示すように、各電極での振動の振幅は、音圧の増加とともに直線的に増加します。また、電極数が増えると振幅が大きくなります。図3bは、音圧と摩擦電気電圧出力の振幅の関係を示しています。摩擦電気出力の振幅も、音圧と線形の関係を示しています。これらの結果は、膜音響センサーが摩擦電気ナノ発電機からの電圧を調べることによって音波の大きさを検出できることを証明しています。

次に、周波数選択性を備えた膜音響センサーの調整能力を調査しました。図4a–cは、それぞれ＃2、＃5、および＃8電極での振動と摩擦電圧出力の周波数依存性を示しています。黒い線は振動の振幅を表し、摩擦電圧の出力は赤い線でプロットされています。結果は、各電極が特定の周波数を持ち、電極の出力が比較的大きいことを示しています。 PTFEの局所共振周波数が入ってくる音の局所共振周波数と一致する局所領域は、大きな振幅で振動し、振動のピークをもたらします。電極＃8の電圧出力のピークは104 mVであり、これは1850Hzに振動のピークがあるPTFEメンブレンの局所領域に対応します。同様に、振動振幅が200Hzと1030Hzの局所領域は、それぞれ電極＃2と＃5の摩擦電圧出力のピークに対応していました。また、振動の周波数依存性は、摩擦電気電圧出力と定性的に類似しています。

図4dは、局所領域の共振周波数と電極数の関係を示しています。電極の数は、台形スリットの底からの距離を表します。明らかに、音の周波数が高くなると、振動のピークは、蝸牛の実際の基底膜の基部領域に対応して、より大きな電極数に向かってシフトする傾向がありました。

前述のように、膜音響センサーは蝸牛基底膜を模倣しており、動作原理は膜音響振動と振動誘起発電の2つの部分で説明できます。一方では、図に示すように、20〜3000 Hz（人間の可聴周波数の一部）のさまざまな周波数範囲での外部音圧に応答するPTFE基底膜の音響振動パターンがCOMSOLMultiphysicsによってエミュレートされました。 5 [31]。シミュレーション結果から、PTFE膜の振幅分布が音響周波数への依存性を明確に示していることがわかります。 PTFE膜が局所的に共振している最大振幅の場所は、周波数が高くなるにつれて台形領域のベースラインからトップラインにシフトします。これは実験結果によく適合します。

一方、PTFE膜による発電の音響振動は、図6に示すように、接触帯電と静電の結合に起因します[32]。膜音響センサーが適用されていない場合、電圧信号はありません。音によって（図6a）。外部音圧によって上部PTFEメンブレンが下部PTFEメンブレン上の銀の堆積物と接触すると（図6b）、PTFEは銀層から電子を取得します。これにより、静電により負の摩擦電荷が反対側の摩擦電荷と釣り合います。誘導[19]。その結果、2つの層の間にも、上膜の電子機器とアースの間に電位差はありません。外部音圧がなくなると、上部のPTFE基底膜は、その固有の弾性のために下部のPTFE膜から跳ね返ります。 2つの膜層の間にギャップが生じ（図6c）、銀電極とアースの関係と同じように、摩擦電荷のために特定の電極の電位がそれらを横切って低下します[33]。

結論

要約すると、摩擦電気ナノ発電機に基づく音響/電気変換を備えた膜センサーを使用することにより、周波数選択性の重要な効果を持つ蝸牛の基底膜の機能を模倣する新しいアプローチを示します。いくつかの小さな長方形の銀電極でコーティングされた台形のPTFEメンブレンは、音響センサーの主要コンポーネントです。台形PTFE膜の振動特性と電気信号出力は、レーザードップラー振動計とオシロスコープを使用して、特定の周波数で音波を印加することによって測定されました。周波数が高くなるにつれて、最大振幅の位置は台形PTFE膜のより狭い領域に向かってシフトしました。これにより、センサーは周波数選択性の機能を実現することができます。さらに、COMSOLを使用して有限要素シミュレーションを実行し、台形PTFE膜の振幅と入射音波の関係が実験結果に適合していることを示しました。膜音響センサーは、感音難聴を低コストで解決するための新しく効果的な方法を示し、摩擦電気ナノ発電機による難聴の治療に代わるものを提供します。