Desain Sensor Akustik Membran Cochlear Basilar Bionic untuk Selektivitas Frekuensi Berdasarkan Film Triboelectric Nanogenerator
Abstrak
Gangguan pendengaran sensorineural menduduki puncak daftar penyakit yang paling menderita karena sifatnya yang kronis, menekan semangat, dan cacat, yang dapat terjadi pada semua kelompok umur, dari bayi baru lahir hingga orang tua. Desain teknis yang lamban serta ketergantungan daya eksternal dari implan koklea konvensional menyulitkan pasien dan membatasi aplikasi praktisnya yang lebih luas, mendorong para peneliti untuk mencari perbaikan mendasar. Dalam makalah ini, kami berhasil mengusulkan sensor akustik membran koklea basilar bionik baru dalam konjugasi dengan nanogenerator triboelektrik. Dengan mendistribusikan sembilan elektroda perak secara trapesium pada kedua dua membran polytetrafluoroethylene, fungsi selektif frekuensi tinggi terpenuhi dalam gadget ini, mulai dari 20 hingga 3000 Hz. Hal ini diyakini lebih terlihat dengan penambahan nomor elektroda, mengacu pada membran basilar yang sebenarnya di koklea. Selain itu, perangkat yang dibuat dapat agak bertenaga sendiri melalui penyerapan energi getaran yang dibawa oleh suara, yang sangat memudahkan calon penggunanya. Akibatnya, sistem bionik yang rumit memberikan perspektif inovatif dalam mengatasi masalah gangguan pendengaran sensorineural.
Latar Belakang
Ada banyak orang yang menderita gangguan pendengaran, yang disebabkan oleh berbagai alasan seperti usia, kanker, TBC, kebisingan, penyalahgunaan narkoba, trauma fisik di seluruh dunia [1,2,3,4]. Sebagai salah satu gangguan pendengaran yang paling serius dan khas, gangguan pendengaran sensorineural sering disebabkan oleh kerusakan atau hilangnya sel-sel rambut organ Corti di koklea, yang mengarah pada gangguan diskriminasi frekuensi fungsi pendengaran [5,6 ,7]. Fungsi paling penting dari koklea adalah memisahkan gelombang suara yang masuk berdasarkan frekuensinya dan mengubah frekuensi yang berbeda dari getaran yang diinduksi suara menjadi listrik untuk merangsang saraf pendengaran [8, 9]. Membran basilar yang merupakan film khusus memainkan peran penting untuk selektivitas frekuensi. Sebagian besar pasien yang menderita gangguan pendengaran sensorineural memilih implan koklea, yang mengubah akustik menjadi listrik untuk merangsang saraf pendengaran melalui susunan listrik yang dimasukkan ke dalam koklea [10, 11]. Namun, implan koklea ini membuat pasien merasa sangat tidak nyaman karena mereka memiliki banyak peralatan tambahan yang terletak di kepala pasien, yang mengakibatkan banyak ketidaknyamanan saat pasien tidur atau berolahraga. Di sisi lain, mereka juga membutuhkan perangkat periferal untuk menyediakan energi listrik untuk semua sistem [12]. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, membuat artikel mandiri dan koklea buatan implan mandiri sepenuhnya telah menjadi fokus upaya oleh banyak peneliti di seluruh dunia.
Untuk mewujudkan fungsi selektivitas frekuensi seperti koklea, beberapa perangkat struktur mikro-nano telah dilaporkan. Juichi Ito dan Keon Jae Lee dkk. sensor akustik fabrikasi yang dapat mencapai fungsi selektivitas frekuensi berdasarkan bahan piezoelektrik [13,14,15]. Namun, output tegangan perangkat ini relatif rendah yang berkisar dari beberapa mikrovolt hingga sekitar 100 μV karena respons tegangan piezoelektrik yang rendah. Di sisi lain, H Shintaku et al. mendemonstrasikan sensor akustik yang dibuat dari array microbeam yang hanya dapat mewujudkan frekuensi pada frekuensi yang lebih tinggi jika dibandingkan dengan audio [16]. Tetapi semua desain ini memiliki beberapa kelemahan yang menonjol, seperti prosedur fabrikasi perangkat yang rumit, keluaran listrik yang rendah, dan pemilihan frekuensi.
Sebagai bidang teknologi yang baru muncul, triboelectric nanogenerator (TENG) menjadi metode yang ideal untuk mengatasi semua masalah tersebut [17,18,19]. Berdasarkan kopling elektrifikasi dan induksi elektrostatik, keluaran listrik yang luar biasa dapat dengan mudah diperoleh dengan biaya yang lebih sedikit dan struktur yang sederhana, menghindari proses fabrikasi yang rumit. Mekanisme/desain yang dapat dikendalikan seperti itu telah menghasilkan sejumlah besar struktur untuk dengan mudah mengais berbagai jenis energi mekanik dan membuat perangkat self-powered tidak lagi menjadi mimpi [20,21,22,23]. Untuk lebih jelasnya, TENGs pada dasarnya dikembangkan untuk konversi energi mekanik-ke-listrik mikro atau nano-skopik, yang jauh lebih kompatibel dengan getaran aliran udara dan mendorong serangkaian penelitian mengenai hal itu [24, 25]. Misalnya, dengan menyerap energi akustik secara halus, Yang et al. telah berhasil merekam cetakan vokal dengan jelas dengan mikrofon berbasis TENG yang bertenaga sendiri [26]. Perhatikan bahwa perangkat ini sangat sensitif terhadap pergantian frekuensi mekanis, yang menjelaskan kemajuan komponen selektif frekuensi generasi berikutnya.
Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan sejenis perangkat akustik yang menyadari selektivitas frekuensi dan transformasi energi akustik menjadi energi listrik. Perangkat kami terdiri dari dua buah membran polytetrafluoroethylene (PTFE) yang dipasang pada celah trapesium yang terletak di pelat akrilik, di mana membran PTFE di atas celah berfungsi sebagai sensor. Fungsi membran polytetrafluoroethylene (PM) sesuai dengan kemampuan membran basilar alam, dan berhasil dikonfirmasi berdasarkan getaran PM yang terjadi di tempat lokal yang berbeda sesuai dengan frekuensi gelombang suara yang masuk.
Metode/Eksperimental
Gambar 1 menunjukkan gambar skema yang menggambarkan membran basilaris koklea. Membran basilaris memainkan peran penting dalam pendengaran pasif [27]. Bentuknya mirip dengan rangka trapesium yang dipelintir menjadi spiral dan ditutupi oleh selaput tipis. Karena fitur geometrisnya, membran basilar mampu secara mekanis memisahkan komponen frekuensi yang terkandung dalam gelombang akustik yang masuk. Daerah apikal membran basilar merespon gelombang akustik tinggi, dan daerah basal hanya bereaksi terhadap suara frekuensi rendah. Ketika lokasi spesifik membran basilaris digetarkan oleh gelombang akustik frekuensi resonansinya, sel-sel rambut yang terletak di membran membuka atau menutup saluran ion untuk menghasilkan potensial listrik [28].
Skema konseptual koklea dan membran basilar. Membran basilar adalah film tipis spiral, yang lebarnya berkurang secara bertahap dari puncak ke basal
Penunjukan sensor akustik membran ditunjukkan pada Gambar. 2. Perangkat ini terutama terdiri dari dua lapisan membran PTFE, satu bagian film polimida Kapton dan dua bagian pelat akrilik dengan celah trapesium. Plat akrilik adalah plat persegi panjang dengan ukuran panjang 120 mm, lebar 60 mm, dan tebal 4 mm. Celah trapesium terletak di tengah pelat akrilik, dan panjang garis pangkal dan garis atas masing-masing adalah 30 dan 10 mm dengan tinggi 100 mm. Membran PTFE memiliki panjang dan lebar yang mirip dengan pelat akrilik kecuali ketebalannya hanya 20 m. Bentuk trapesium terinspirasi oleh membran basilar koklea dengan frekuensi resonansi lokal yang berubah secara bertahap dari topline ke baseline [29, 30]. Susunan elektroda dengan sembilan elemen yang terbuat dari deposisi perak dibuat di sisi atas membran PTFE berdasarkan Magnetism Sputter System. Karena elektroda dengan ketebalan sekitar 200 nm sangat tipis dibandingkan elektroda PTFE (40 μm), elektroda tersebut tidak akan mempengaruhi karakteristik getar PTFE. Untuk kenyamanan, elektroda diberi nama sebagai #1~#9 dari bawah ke atas membran trapesium, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Ukuran setiap elektroda adalah 4*8 mm
2
dengan bentuk persegi panjang, dan jarak dalam bidang antara dua elektroda yang berdekatan adalah 10 mm. Film keras Kapton, yang berukuran sama dengan pelat akrilik, ditempatkan di antara dua membran PTFE. Ketebalan membran Kapton akan menentukan batas deteksi tekanan suara. Peran film Kapton adalah untuk membuat celah sempit antara dua lapisan membran PTFE. Film Kapton dan membran PTFE dilapisi bebas regangan di tengah dua pelat akrilik dengan celah trapesium dengan lem perekat. Getaran PM diukur dengan menggunakan sistem pengukuran vibrometer laser Doppler (LDV) dan penganalisis tingkat suara pada berbagai frekuensi dalam kisaran 100 hingga 3000 Hz. Output sinyal listrik diukur melalui elektroda menggunakan preamplifier.
Desain struktural dari sensor membran bionik. a Tampilan 3D dari komponen utama perangkat untuk selektivitas frekuensi. Mereka direkatkan, dan hanya membran PTFE elastis yang dikelilingi oleh celah trapesium yang dapat bergetar bebas di bawah stimulasi suara. b Tampilan atas dari sensor. Elektroda, terbuat dari endapan perak, diberi nomor dari elektroda #1 hingga #9
Hasil dan Diskusi
Kami pertama-tama menyelidiki efek tekanan suara pada amplitudo amplitudo getaran membran PTFE dan output tegangan triboelektrik masing-masing oleh LDV dan osiloskop. Gambar 3 menunjukkan hubungan antara tekanan sonik eksternal dan amplitudo getaran di membran PTFE. Di sini, kami memilih sinyal dari elektroda yang diberi nomor #2, #5, dan #8. Tekanan suara disediakan oleh speaker yang dapat memancarkan gelombang akustik sinusoidal yang berjarak 100 mm dari perangkat dengan sudut kemiringan yang kecil. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 3a, amplitudo getaran pada setiap elektroda meningkat secara linier dengan peningkatan tekanan suara. Juga, amplitudo meningkat ketika nomor elektroda meningkat. Gambar 3b menunjukkan bahwa hubungan antara tekanan suara dan amplitudo keluaran tegangan triboelektrik. Amplitudo keluaran triboelektrik juga menunjukkan hubungan linier dengan tekanan suara. Hasil ini membuktikan bahwa sensor akustik membran dapat mendeteksi besaran gelombang akustik dengan memeriksa tegangan dari triboelectric nanogenerator.
Hasil eksperimen pengaruh tekanan akustik pada amplitudo a getaran dan b keluaran tegangan triboelektrik. Rupanya, ini adalah semacam hubungan linier antara amplitudo dan tekanan suara
Kami selanjutnya menyelidiki kemampuan penyetelan sensor akustik membran dengan selektivitas frekuensi. Gambar 4a–c menunjukkan bahwa ketergantungan frekuensi getaran dan tegangan keluaran triboelektrik masing-masing pada elektroda #2, #5, dan #8. Garis hitam mewakili amplitudo getaran sedangkan output tegangan triboelektrik diplot oleh garis merah. Hasil penelitian menunjukkan bahwa masing-masing elektroda memiliki frekuensi tertentu dimana elektroda tersebut memiliki keluaran yang relatif besar. Daerah lokal, di mana frekuensi resonansi lokal PTFE cocok dengan suara yang masuk, bergetar dengan amplitudo besar menghasilkan puncak getaran. Puncak keluaran tegangan elektroda #8 adalah 104 mV, yang sesuai dengan wilayah lokal membran PTFE dengan puncak getaran pada 1850 Hz. Secara analog, daerah lokal dengan amplitudo getaran pada 200 dan 1030 Hz berhubungan dengan puncak keluaran tegangan triboelektrik masing-masing elektroda #2 dan #5. Selain itu, ketergantungan frekuensi getaran secara kualitatif mirip dengan keluaran tegangan triboelektrik.
Hasil penelitian sinyal keluaran tegangan triboelektrik dan amplitudo getaran dari a elektroda #2, b elektroda #5, dan c elektroda #8, yang diukur dengan sistem LDV dan osiloskop pada frekuensi berkisar antara 20 hingga 3000 Hz, dan distribusi perpindahan getaran dan sinyal keluaran tegangan triboelektrik sangat tumpang tindih di seluruh bandwidth frekuensi. d Hasil eksperimen hubungan antara nomor elektroda dan frekuensi resonansi lokal membran PTFE
Gambar 4d menunjukkan hubungan antara frekuensi resonansi wilayah lokal dan nomor elektroda. Jumlah elektroda menyatakan jarak dari dasar celah trapesium. Jelas, saat frekuensi suara meningkat, puncak getaran cenderung bergeser ke arah nomor elektroda yang lebih besar, sesuai dengan daerah dasar membran basilar sebenarnya di koklea.
Seperti dijelaskan sebelumnya, sensor akustik membran meniru membran basilar koklea, dan prinsip operasi dapat dijelaskan oleh dua bagian, getaran akustik membran dan pembangkit listrik yang diinduksi getaran. Di satu sisi, pola getaran akustik membran basilar PTFE dalam menanggapi tekanan suara eksternal pada rentang frekuensi yang berbeda dari 20 hingga 3000 Hz (bagian dari frekuensi suara manusia), ditiru oleh COMSOL Multiphysics, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 [31]. Dari hasil simulasi, kita dapat menemukan bahwa distribusi amplitudo membran PTFE jelas menunjukkan ketergantungan pada frekuensi akustik. Tempat dengan amplitudo maksimum, di mana membran PTFE beresonansi secara lokal, bergeser dari garis dasar ke garis atas area trapesium seiring dengan peningkatan frekuensi, yang sesuai dengan hasil eksperimen dengan baik.
Perangkat lunak Comsol digunakan untuk merangsang karakteristik getaran membran PTFE tunggal pada frekuensi a 300 Hz, b 1000 Hz, c 2000 Hz
Di sisi lain, getaran akustik pembangkit listrik yang diinduksi membran PTFE adalah atribusi ke kopling antara elektrifikasi kontak dan elektrostatik [32], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Tidak ada sinyal tegangan saat sensor akustik membran tidak diterapkan oleh suara (Gbr. 6a). Ketika tekanan suara eksternal membawa membran PTFE atas untuk bersentuhan dengan endapan perak pada membran PTFE bawah (Gbr. 6b), PTFE mengambil elektron dari lapisan perak, yang membuat muatan triboelektrik negatif diseimbangkan dengan pasangannya yang berlawanan karena elektrostatik induksi [19]. Akibatnya, tidak ada perbedaan potensial di kedua lapisan atau antara elektronik di membran atas dan tanah. Ketika tekanan suara eksternal menghilang, membran basilar PTFE atas akan memantul kembali dari membran PTFE bawah karena elastisitas bawaannya. Sebuah celah akan muncul di antara dua lapisan membran (Gbr. 6c), yang menyebabkan potensial listrik dari elektroda tertentu turun melintasinya karena muatan triboelektrik, sama seperti hubungan antara elektroda perak dan ground [33].
Diagram prinsip kerja sensor. a Keadaan istirahat, di mana PTFE tidak diisi, tanpa stimulasi suara. b Keadaan kontak, di mana membran PTFE atas bermuatan negatif, di bawah tekanan suara. c Keadaan terpisah, di mana membran PTFE atas dan bawah terpisah satu sama lain, perbedaan potensial mendorong elektron bebas mengalir dari ground ke elektroda perak melalui sirkuit eksternal
Kesimpulan
Singkatnya, kami mendemonstrasikan pendekatan baru untuk meniru fungsi membran basilar di koklea yang memiliki efek penting dari selektivitas frekuensi, dengan menggunakan sensor membran dengan konversi akustik/listrik berdasarkan nanogenerator triboelectrific. Membran PTFE trapesium, yang dilapisi oleh beberapa elektroda perak persegi panjang kecil, adalah komponen utama dari sensor akustik. Karakteristik getaran dan keluaran sinyal listrik membran PTFE trapesium diukur dengan menerapkan gelombang suara pada frekuensi tertentu, dengan vibrometer laser Doppler dan osiloskop. Lokasi dengan amplitudo maksimum bergeser ke arah area yang lebih sempit dari membran PTFE trapesium seiring dengan peningkatan frekuensi. Dengan cara ini, sensor dapat mewujudkan fungsi selektivitas frekuensi. Selanjutnya, simulasi elemen hingga dilakukan dengan COMSOL untuk menunjukkan bahwa hubungan antara amplitudo membran PTFE trapesium dan gelombang akustik yang masuk sesuai dengan hasil eksperimen. Sensor akustik membran mendemonstrasikan metode baru dan efektif untuk mengatasi gangguan pendengaran sensorineural dengan biaya rendah dan memberikan alternatif pengobatan tuli dengan nanogenerator triboelektrik.
