Capteur cochléaire basilaire biomimétique auto-alimenté par nanogénérateur triboélectrique pour sélectivité fréquentielle haute résolution

Contexte

Dans le monde, la perte auditive neurosensorielle résulte de l'âge, de l'exposition au bruit, de médicaments ototoxiques et de traumatismes, compromettant la discrimination fréquentielle et la communication quotidienne. La membrane basilaire de la cochlée sépare les ondes sonores par fréquence et traduit les vibrations mécaniques en impulsions électriques qui stimulent les nerfs auditifs. Les implants conventionnels convertissent les signaux acoustiques en impulsions électriques via un processeur externe et un réseau d'électrodes implanté, mais ils chargent les patients avec du matériel visible et des sources d'énergie externes.

Les récents capteurs acoustiques micro- et nano-échelle ont tenté de reproduire la sélectivité cochléaire en utilisant des technologies piézoélectriques ou de micro-poutres, mais ils souffrent d'une faible tension de sortie, d'une fabrication complexe et d'une couverture fréquentielle limitée. Les nanogénérateurs triboélectriques (TENG) offrent une alternative convaincante, convertissant le mouvement mécanique en signaux électriques significatifs avec une complexité minimale. Leur sensibilité aux variations de fréquence les rend idéaux pour concevoir un substitut cochléaire auto-alimenté et sélectif en fréquence.

Méthodes/Expérimental

Le design du capteur mime la géométrie trapézoïdale de la membrane basilaire cochléaire, permettant à la fréquence de résonance locale de varier le long de la membrane. Le dispositif comprend deux plaques acryliques de 120 mm × 60 mm × 4 mm avec une fente trapézoïdale centrale (base 30 mm, sommet 10 mm, hauteur 100 mm). Deux membranes PTFE de 20 µm d'épaisseur, chacune 120 mm × 60 mm, sont positionnées de chaque côté d'un espaceur Kapton de 20 µm, qui définit un espace étroit et définit le seuil de pression acoustique. Neuf électrodes en argent de 4 × 8 mm (≈200 nm d'épaisseur) sont déposées par pulvérisation sur la surface PTFE supérieure, numérotées #1 (bas) à #9 (haut). Les électrodes sont espacées de 10 mm dans le plan, assurant une interférence mécanique minimale.

Les réponses vibratoires ont été mesurées avec un vibromètre laser Doppler (LDV) sur 100–3000 Hz, tandis que la tension triboélectrique de sortie a été enregistrée à l'aide d'un préamplificateur et d'un oscilloscope. Un haut-parleur étalonné a délivré des ondes acoustiques sinusoïdales à pressions variables. Des simulations COMSOL Multiphysics ont modélisé les patterns de déplacement de la membrane à des fréquences sélectionnées (300 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz) pour valider les observations expérimentales.

Diagramme conceptuel de la membrane basilaire cochléaire et de sa structure trapézoïdale.

Résultats et discussion

L'augmentation de la pression sonore amplifie linéairement l'amplitude de vibration aux électrodes #2, #5 et #8 et la tension triboélectrique correspondante (Fig. 3). Cette linéarité confirme la capacité du capteur à quantifier l'intensité acoustique par lecture électrique.

Les tests dépendants de la fréquence ont révélé des pics de résonance distincts pour chaque électrode : l'électrode #2 a culminé à 200 Hz, #5 à 1030 Hz et #8 à 1850 Hz, avec des tensions de pic atteignant 104 mV. Le décalage de résonance vers les électrodes de numéro plus élevé avec l'augmentation de la fréquence reproduit l'organisation tonotopique de la membrane basilaire (Fig. 4d). Les spectres d'amplitude de vibration et de tension de sortie se chevauchent étroitement, soulignant l'efficacité de transduction mécaélectrique duale du capteur.

Les simulations COMSOL (Fig. 5) ont démontré que le déplacement maximal de la membrane PTFE se déplace de la base vers le sommet à mesure que la fréquence augmente, corroborant les résultats expérimentaux. Le mécanisme triboélectrique fonctionne par électrification de contact entre le PTFE supérieur et le PTFE inférieur enduit d'argent sous pression sonore, suivie d'induction électrostatique lors de la séparation des membranes, générant des impulsions de tension mesurables (Fig. 6).

Architecture du dispositif : (a) vue 3D des composants clés ; (b) vue de dessus avec numérotation des électrodes.

Relation entre la pression acoustique et (a) l'amplitude de vibration, (b) la tension triboélectrique.

Réponse fréquentielle des électrodes #2, #5 et #8 : amplitude de vibration (noir) et tension triboélectrique (rouge). (d) Fréquence de résonance vs. numéro d'électrode.

Simulation COMSOL du déplacement de la membrane PTFE à 300 Hz, 1000 Hz et 2000 Hz.

Principe de fonctionnement : (a) état de repos, (b) état de contact sous le son, (c) état de séparation générant la tension.

Conclusions

Nous avons démontré un substitut cochléaire auto-alimenté et sélectif en fréquence qui réplique la mécanique de la membrane basilaire en utilisant une membrane PTFE trapézoïdale intégrée à un nanogénérateur triboélectrique. Le réseau de neuf électrodes fournit des pics de résonance distincts sur la gamme audible, permettant une discrimination fréquentielle précise. Les résultats expérimentaux et par éléments finis confirment que l'amplitude de vibration locale et la tension triboélectrique culminent aux fréquences correspondantes, mimant la tonotopie cochléaire. Cette plateforme à faible coût, prête pour l'implantation, offre une alternative prometteuse pour traiter la perte auditive neurosensorielle sans besoin d'énergie externe ni de matériel encombrant.

Abréviations

LDV

Système de mesure vibromètre laser Doppler

PM

Membrane de polytétrafluoroéthylène

PTFE

Polytétrafluoroéthylène

TENG

Nanogénérateur triboélectrique