感觉神经性听力丧失是耳蜗基底膜上毛细胞受损引起的特异性障碍，长期困扰许多听力受损患者。毛细胞作为感应声学振动转化为电刺激的关键组织，一旦受损还难以通过医疗手段有效修复。在人工耳蜗中植入柔性声电转换器件替代受损的毛细胞接收声音振动，为受损的听觉系统提供电刺激是一种很有前景的解决方案。然而现有的声电转换装置常受限于灵敏性不足以及依赖谐振腔辅助增强信号等问题，并且难以突破装置响应频段较窄、响应频段不可调控的局限。因此，如何组装高性能的声电转换装置并应用于人工耳蜗依然存在巨大的挑战。
图1 核壳共振结构声电转换装置
近日，华中科技大学周华民、王云明团队报道了一种基于压电-摩擦电效应的核壳共振结构声电转换装置，该器件表现出了响应频带宽、响应频率可调、高灵敏度等优势，在人工耳蜗领域展现出极大的应用前景。（图1）
图2 核壳共振结构声电转换装置制作流程图与形貌表征
研究者巧妙地将复合结构的钛酸钡@二氧化硅微球作为模板材料与PVDF-TrFE均匀混合后热塑性成形，从而制备出具有高度有序性的复合核壳结构多孔材料（图2），该材料内部微观结构依然保留高自由度，从而展现出有效采集声波等微弱振动的能力。
图3 核壳共振结构声电转换性能影响因素及工作机理
文章系统研究了钛酸钡颗粒尺寸、聚合物孔径、感应膜厚度等结构参数和声音频率与声强等外界条件对输出性能的影响，此外本文对核壳结构材料形变及电势梯度与材料内部钛酸钡与聚合物两种材料作用机理进行了进一步的探讨。（图3）
该声电转换装置展现出了良好的应用性，展现出了良好的声音采集能力，其收集的电信号与原始的声波振幅曲线高度吻合，通过后期的信号处理，收集的电信号能复现出原始音频，在人工耳蜗与语音交互应用中展现出巨大的潜力。
相关成果近期以“Acoustic Core–Shell Resonance Harvester for Application of Artificial Cochlea Based on the Piezo-Triboelectric Effect”为标题发表在国际顶级期刊ACS Nano上。该课题组博士生郑嘉琦为本文的第一作者。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c04242