基于摩擦纳米发电机的自供电仿生耳蜗基底膜传感器实现高分辨率频率选择性
摘要
感音神经性听力损失是最普遍的慢性残疾，影响各年龄段人群。传统人工耳蜗体积庞大、需外部供电、限制患者舒适度。本文提出一种新型仿生耳蜗传感器，模拟基底膜的频率选择力学特性，通过摩擦纳米发电机（TENG）收集声能。器件在双层聚四氟乙烯（PTFE）膜上布置九个梯形排列的银电极，在可听频谱（20–3000 Hz）实现明显共振峰。其由声振驱动的自供电运行，为听力康复提供紧凑、用户友好的替代方案。
背景
全球范围内，感音神经性听力损失源于衰老、噪音暴露、耳毒性药物和创伤，损害频率辨析和日常交流。耳蜗基底膜按频率分离声波，将机械振动转化为电信号刺激听神经。传统植入体通过外部处理器和植入电极阵列将声信号转为电脉冲，却让患者背负可见硬件和外部电源。
近年微纳声学传感器试图用压电或微梁技术复制耳蜗选择性，但输出电压低、制备复杂、频覆盖有限。摩擦纳米发电机（TENG）提供有力替代，以极低复杂度将机械运动转化为显著电信号，且对频率变化敏感，适合设计自供电、频率选择性的耳蜗替代品。
方法/实验
传感器设计仿照耳蜗基底膜梯形几何，使局域共振频率沿膜位移。器件由两块120×60×4 mm亚克力板组成，中央开梯形狭缝（底边30 mm、顶边10 mm、高100 mm）。两片20 µm厚PTFE膜（120×60 mm）夹20 µm Kapton间隔层，界定窄间隙设定声压阈值。九个4×8 mm银电极（约200 nm厚）溅射沉积于上PTFE表面，自底向顶编号#1至#9，平面间距10 mm以确保最小机械干扰。
用激光多普勒测振仪（LDV）测100–3000 Hz振动响应，前置放大器和示波器记录摩擦电压输出。标准扬声器施加不同压力的正弦声波。COMSOL Multiphysics在300 Hz、1000 Hz、2000 Hz建模膜位移模式验证实验观察。
结果与讨论
增大声压线性放大#2、#5、#8电极处的振动振幅和对应摩擦电压（图3），确认传感器通过电读出量化声强的能力。
频率响应测试显示各电极有明显共振峰：#2峰值200 Hz，#5峰值1030 Hz，#8峰值1850 Hz，峰值电压达104 mV。共振峰随电极编号增加向高频移动，复现基底膜的调频组织（图4d）。振动振幅谱与电压输出谱高度重叠，凸显传感器双重机-电转换效率。
COMSOL仿真（图5）显PTFE膜最大位移随频率升高从底边向顶边移动，佐证实验发现。摩擦机制：声压下上PTFE与镀银下PTFE接触起电，分离时静电感应产生可测电压脉冲（图6）。
结论
展示了一种自供电、频率选择性的耳蜗替代品，利用梯形PTFE膜集成摩擦纳米发电机复制基底膜力学。九电极阵列在可听范围提供明显共振峰，实现精准频率辨析。实验与有限元结果证实局域振动振幅和摩擦电压在对应频率峰值，模拟耳蜗调频组织。该低成本、可植入平台为治疗感音神经性听力损失提供有望替代，无需外部电源和笨重硬件。
缩略语
- LDV
- 激光多普勒测振仪测量系统
- PM
- 聚四氟乙烯膜
- PTFE
- 聚四氟乙烯
- TENG
- 摩擦纳米发电机
纳米材料