Sensor Membran Basilar Bionik Daya Sendiri Menggunakan Nanogenerator Triboelektrik untuk Selektivitas Frekuensi Tinggi
Abstrak
Kehilangan pendengaran sensorineural masih menjadi disabilitas kronis paling prevalen yang mempengaruhi individu dari semua usia. Implantasi koklea tradisional bersifat besar, membutuhkan suplidan daya eksternal, dan membatasi kenyamanan pasien. Kami memperkenalkan sensor koklea bionik baru yang meniru mekanisme selektif frekuensi membran basilar dan memanen energi akustik melalui nanogenerator triboelektrik (TENG). Perangkat ini menyelasembilan elektroda perak yang disusun trapezoidal pada dual membran politetrafluoroetilena (PTFE), mencapai puncak resonansi yang berbeda di seluruh spektrum audible (20–3000 Hz). Operasi daya sendiri, yang berasal dari getaran yang diinduksi suara, menawarkan alternatif yang kompak dan ramah pengguna untuk rehabilitasi pendengaran.
Latar Belakang
Di seluruh dunia, kehilangan pendengaran sensorinebral timbul dari usia, paparan kebisingan, obat ototoksik, dan trauma, yang mengganggu diskriminasi frekuensi dan komunikasi sehari-hari. Membran basilar koklea memisahkan gelombang suara berdasarkan frekuensi dan menerjemahkan getaran mekanis menjadi impuls listrik yang merangsang saraf pendengaran. Implantasi konvensional mengonversi sinyal akustik menjadi impuls listrik melalui prosesor eksternal dan array elektroda yang diimplantasi, namun mereka membebani pasien dengan hardware yang terlihat dan sumber daya eksternal.
Sensor akustik skala mikro dan nano terkini telah mencoba mereplikasi selektivitas koklea menggunakan teknologi piezoelektrik atau microbeam, tetapi mereka menderita output tegangan rendah, pembuatan yang kompleks, dan cakupan frekuensi yang terbatas. Nanogenerator triboelektrik (TENG) menawarkan alternatif yang menarik, mengonversi gerakan mekanis menjadi sinyal listrik yang signifikan dengan kompleksitas minimal. Sensitivitas mereka terhadap variasi frekuensi menjadikan mereka ideal untuk merancang pengganti koklea yang selektif frekuensi dan daya sendiri.
Metode/Eksperimen
Desain sensor mencerminkan geometri trapezoidal membran basilar koklea, memungkinkan frekuensi resonansi lokal untuk bergeser sepanjang membran. Perangkat terdiri dari dua papan akrilik 120 mm × 60 mm × 4 mm dengan celah trapezoidal di tengah (garis dasar 30 mm, garis atas 10 mm, tinggi 100 mm). Dua membran PTFE tebal 20 µm, masing-masing berukuran 120 mm × 60 mm, diposisikan di kedua sisi spacer Kapton tebal 20 µm, yang mendefinisian celah sempit dan menetapkan ambang tekanan akustik. Sembilan elektroda perak 4 × 8 mm (≈200 nm tebal) ditetapkan melalui sputtering pada permukaan PTFE atas, diberi nomor #1 (bawah) hingga #9 (atas). Elektroda berjarak 10 mm dalam bidang, memastikan interferensi mekanis minimal.
Respons getaran diukur dengan vibrometer Doppler laser (LDV) di rentang 100–3000 Hz, sementara output tegangan triboelektrik dicatat menggunakan preamplifier dan osiloskop. Speaker terkalibrasi menyajikan gelombang sinus akustik pada tekanan yang bervariasi. Simulasi COMSOL Multiphysics memodelkan pola perpindahan membran pada frekuensi yang dipilih (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) untuk memvalidasi pengamatan eksperimental.
Diagram konseptual membran basilar koklea dan struktur trapezoidalnya.
Hasil dan Pembahasan
Peningkatan tekanan suara secara linier memperbesar amplitudo getaran pada elektroda #2, #5, dan #8 serta tegangan triboelektrik yang sesuai (Gambar 3). Linearitas ini mengonfirmasi kemampuan sensor untuk mengukur intensitas akustik melalui pembacaan listrik.
Uji dependen frekuensi mengungkapkan puncak resonansi yang berbeda untuk setiap elektroda: elektroda #2 mencapai puncak pada 200 Hz, #5 pada 1030 Hz, dan #8 pada 1850 Hz, dengan tegangan puncak mencapai 104 mV. Pergeseran resonansi menuju elektroda dengan nomor yang lebih tinggi seiring dengan kenaikan frekuensi mereproduksi organisasi tonotopik membran basilar (Gambar 4d). Sifat spektrum amplitudo getaran dan output tegangan tumpang tindih erat, menekankan efisiensi transmisi ganda mekanis-listrik sensor.
Simulasi COMSOL (Gambar 5) menunjukkan bahwa perpindahan maksimum membran PTFE bergerak dari garis dasar menuju garis atas seiring dengan kenaikan frekuensi, menguatkan temuan eksperimental. Mekanisme triboelektrik bekerja melalui elektrifikasi kontak antara PTFE atas dan PTFE bawah yang dilapisi perak di bawah tekanan suara, diikuti oleh induksi elektrostatis saat membran terpisah, menghasilkan pulsa tegangan yang dapat diukur (Gambar 6).
Arsitektur perangkat: (a) tampilan 3-D komponen kunci; (b) tampilan atas dengan nomor elektroda.
Hubungan antara tekanan akustik dan (a) amplitudo getaran, (b) tegangan triboelektrik.
Respons frekuensi elektroda #2, #5, dan #8: amplitudo getaran (hitam) dan tegangan triboelektrik (merah). (d) Frekuensi resonansi vs. nomor elektroda.
Simulasi COMSOL perpindahan membran PTFE pada 300 Hz, 1000 Hz, dan 2000 Hz.
Prinsip kerja: (a) keadaan istirahat, (b) keadaan kontak di bawah suara, (c) keadaan pemisahan yang menghasilkan tegangan.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan pengganti koklea yang selektif frekuensi dan daya sendiri yang mereplikasi mekanisme membran basilar menggunakan membran PTFE trapezoidal yang terintegrasi dengan nanogenerator triboelektrik. Array sembilan elektroda menyediakan puncak resonansi yang berbeda di seluruh rentang audible, memungkinkan diskriminasi frekuensi yang presisi. Hasil eksperimental dan elemen hingga mengonfirmasi bahwa amplitudo getaran lokal dan tegangan triboelektrik mencapai puncak pada frekuensi yang sesuai, meniru tonotopi koklea. Platform siap implantasi yang berbiaya rendah ini menawarkan alternatif yang menjanjikan untuk mengobati kehilangan pendengaran sensorinebral tanpa kebutuhan daya eksternal atau hardware besar.
