华科大臧剑锋教授课题组《Adv. Sci.》: 仿生柔性弹性超材料用于恢复听障患者自然听力

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在正常人的自然听觉过程中，外部的声音包括语言、音乐和不同的音调被外耳收集并刺激耳膜。然后声音通过听小骨的过滤和放大传播到耳蜗。在耳蜗中，每个特定频率的声音都会在特定的地方激活相应的特定毛细胞群，这被称为位置编码。同时，每个毛细胞的触发与外界声音（主要是中低频）的实时变化同步，这被称为时间编码。声音信号就这样通过耳蜗中的毛细胞传递给听觉神经，再通过听觉神经传递给听觉皮层中的相应区域。然而，全球有1/5的人患有不同程度的听力损失，估计其中有4.3亿人属于中度或更加严重的听力损失。毛细胞受损是造成重度或极重度听力损失的主要原因。

人工耳蜗已经商业化了近40年，为众多听力损失患者带来了功能性听力。人工耳蜗的路线是用植入的电流源和电极刺激听觉神经，而忽略了使用者原有的听觉路径。人工耳蜗用户通常在相对安静的环境中具有足够的交流能力，但由于缺乏速率编码和频率分辨率不足，他们很难区分不同的音调，无法从噪音中识别语音信号或欣赏音乐。像正常人一样自然听声音是听力损失患者的长期愿望，但尚未实现。

最近，华中科技大学臧剑锋团队提出了一种生物启发的软体弹性超材料，它再现了人类耳蜗的形状和功能。通过利用软质材料作为基体和合理的超材料结构设计，超材料的整体尺寸为几厘米（与现有人工耳蜗相当），拥有多达168个频率通道，覆盖150赫兹至12000赫兹的可听范围，有望实现自然聆听效果。相关工作以“Bioinspired Soft Elastic Metamaterials for Reconstruction of Natural Hearing” 为题在线发表在《Advanced Science》上。

人类的自然听觉过程和仿生超材料的设计如图一所示。该项工作核心是设计功能和形态仿生耳蜗的柔性声学超材料来实现被动式声波聚集增强（图二）。具体是通过在软材料中设计梯度等效折射率来实现对人体外耳、中耳正常采集到的声波的频率-位置选择性集中（即符合人听觉频率响应特点的耳蜗位置编码），进一步添加压电材料将声信号转化为电信号，再利用转换后的电信号直接刺激耳蜗相应位置的听神经（耳蜗时间编码）。仿生软弹性超材料可以被拉伸或弯曲，以适应耳蜗中的螺旋管，同时保持良好的音高-位置映射性能。作者通过理论分析、模拟和实验验证了仿生超材料可以区分C大调音阶的不同音高（图三）。动物实验表明，仿生超材料可以在没有电源的情况下激活小鼠的听觉通路（图四）。

图1. 人类的自然听觉过程和仿生超材料的设计。a) 正常人的自然听觉过程。外部声音通过外耳、中耳、内耳和听觉神经通路传入大脑。b) 仿生超材料的详细结构。c) 仿生超材料成品的侧视图。d, e) 分别是超材料样品（不含压电片）和放大的分支微结构的照片。

图2. a) 仿生超材料结构设计示意图。b) 计算的等效折射率和仿生超材料弧长L的振动分布。c) 沿着传播轴不同位置等效折射率的分布特性。d) 带有压电片的超材料的模拟模型。e) 当弹性波以150Hz入射时，超材料的模拟位移分布。h)仿生超材料中4个通道的电压增益。

图3. a）模拟人类听觉过程的体外实验测试装置。b，c）分别为钢琴曲和动物声音的原始频谱图。d, e) 经过8通道人工耳蜗处理后的钢琴曲和动物声音的频谱图。f, g) 经过8通道仿生超材料耳蜗处理后钢琴曲和动物声音的频谱图。孤立的后肢反复弹跳，同步放大BSEM的电刺激。h，i）体外牛蛙后肢电刺激实验。在仿生超材料耳蜗输出的电刺激激励下，离体的后肢反复弹跳。

图4. a) 在仿生超材料的直接电刺激下进行听觉脑干响应采集的实验装置。b) 由不同频率短音激励仿生超材料而产生的电刺激直接激励小鼠耳蜗听神经，小鼠的听觉脑干响应采集结果。c) 对正常小鼠和聋哑小鼠（对照）进行纯声学刺激的采样结果。右边的坐标表示整个图中听觉脑干响应的持续时间和振幅的比例。d) 当耳蜗完全没有受到刺激时，聋哑小鼠（对照）的听觉脑干响应结果。e） 不同频率短音激励仿生超材料而产生的电刺激直接激励小鼠耳蜗听神经，听觉脑干响应幅值的统计结果。

此项工作提出了一种提出了一种仿生软体弹性超材料的设计，它可以被看作是实现自然听力的无源人工耳蜗的原型。文章通过理论分析和模拟描述了仿生超材料的原理。文章作者通过测量和动物实验证明了仿生超材料的特点、便利性和生物效应。仿生超材料耳蜗拥有多达160个频率通道，覆盖了150 Hz ~ 12 kHz的可听范围，无源模拟输出电压高达2 V。同时，仿生超材料的结构设计可以针对每个人的生理位置-音调映射进行优化，以获得更好的性能。在这项工作的基础上，有希望制备出具有更好的听觉体验、更少的不便和更高的安全性的完全可植入的仿生耳蜗，这可以为患有听力损失的人带来自然的听觉体验。

论文第一作者为华中科技大学集成电路学院博士后唐瀚川与生命科学与技术学院博士研究生张淑杰。论文通讯作者为华中科技大学先进医疗交叉研究团队负责人、集成电路学院学院、智能制造装备与技术全国重点实验室、武汉光电国家研究中心臧剑锋教授，华中科技大学生命科学与技术学院陈威副教授以及华中科技大学同济医学院附属协和医院肖红俊教授。该研究得到国家自然科学基金资助支持。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207273

团队简介

臧剑锋现任华中科技大学集成电路学院、武汉光电国家研究中心教授，博士生导师，国家海外高层次引进人才青年项目入选者。主持国家重点研发计划项目课题，国家自然科学基金面上项目、华为委托技术开发项目等国家或重点企业项目5项。团队专注于多学科交叉的智能软材料与器件研究。课题组面向医疗健康重大需求开展医工交叉研究，智能医疗机器人，人机界面可靠接口。

课题组热烈欢迎不同背景（尤其是光电工程，电子工程，机械，材料，生物工程等）的优秀本科生/硕士生申请加入研究团队！同时招聘研究助理及博士后。希望不同背景的我们，能够在团队内碰撞出思维的火花，为了同一个目标努力，一起快乐地做有意思且有意义的科研工作！详情见：

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