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  在正常人的自然聽覺過程中，外部的聲音包括語言、音樂和不同的音調(diào)被外耳收集并刺激耳膜。然后聲音通過聽小骨的過濾和放大傳播到耳蝸。在耳蝸中，每個(gè)特定頻率的聲音都會(huì)在特定的地方激活相應(yīng)的特定毛細(xì)胞群，這被稱為位置編碼。同時(shí)，每個(gè)毛細(xì)胞的觸發(fā)與外界聲音（主要是中低頻）的實(shí)時(shí)變化同步，這被稱為時(shí)間編碼。聲音信號(hào)就這樣通過耳蝸中的毛細(xì)胞傳遞給聽覺神經(jīng)，再通過聽覺神經(jīng)傳遞給聽覺皮層中的相應(yīng)區(qū)域。然而，全球有1/5的人患有不同程度的聽力損失，估計(jì)其中有4.3億人屬于中度或更加嚴(yán)重的聽力損失。毛細(xì)胞受損是造成重度或極重度聽力損失的主要原因。

  人工耳蝸已經(jīng)商業(yè)化了近40年，為眾多聽力損失患者帶來了功能性聽力。人工耳蝸的路線是用植入的電流源和電極刺激聽覺神經(jīng)，而忽略了使用者原有的聽覺路徑。人工耳蝸用戶通常在相對(duì)安靜的環(huán)境中具有足夠的交流能力，但由于缺乏速率編碼和頻率分辨率不足，他們很難區(qū)分不同的音調(diào)，無法從噪音中識(shí)別語音信號(hào)或欣賞音樂。像正常人一樣自然聽聲音是聽力損失患者的長(zhǎng)期愿望，但尚未實(shí)現(xiàn)。

  最近，華中科技大學(xué)臧劍鋒團(tuán)隊(duì)提出了一種生物啟發(fā)的軟體彈性超材料，它再現(xiàn)了人類耳蝸的形狀和功能。通過利用軟質(zhì)材料作為基體和合理的超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，超材料的整體尺寸為幾厘米（與現(xiàn)有人工耳蝸相當(dāng)），擁有多達(dá)168個(gè)頻率通道，覆蓋150赫茲至12000赫茲的可聽范圍，有望實(shí)現(xiàn)自然聆聽效果。相關(guān)工作以“Bioinspired Soft Elastic Metamaterials for Reconstruction of Natural Hearing” 為題在線發(fā)表在《Advanced Science》上。

  人類的自然聽覺過程和仿生超材料的設(shè)計(jì)如圖一所示。該項(xiàng)工作核心是設(shè)計(jì)功能和形態(tài)仿生耳蝸的柔性聲學(xué)超材料來實(shí)現(xiàn)被動(dòng)式聲波聚集增強(qiáng)（圖二）。具體是通過在軟材料中設(shè)計(jì)梯度等效折射率來實(shí)現(xiàn)對(duì)人體外耳、中耳正常采集到的聲波的頻率-位置選擇性集中（即符合人聽覺頻率響應(yīng)特點(diǎn)的耳蝸位置編碼），進(jìn)一步添加壓電材料將聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再利用轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)直接刺激耳蝸相應(yīng)位置的聽神經(jīng)（耳蝸時(shí)間編碼）。仿生軟彈性超材料可以被拉伸或彎曲，以適應(yīng)耳蝸中的螺旋管，同時(shí)保持良好的音高-位置映射性能。作者通過理論分析、模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿生超材料可以區(qū)分C大調(diào)音階的不同音高（圖三）。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)表明，仿生超材料可以在沒有電源的情況下激活小鼠的聽覺通路（圖四）。

圖1. 人類的自然聽覺過程和仿生超材料的設(shè)計(jì)。a) 正常人的自然聽覺過程。外部聲音通過外耳、中耳、內(nèi)耳和聽覺神經(jīng)通路傳入大腦。b) 仿生超材料的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。c) 仿生超材料成品的側(cè)視圖。d, e) 分別是超材料樣品（不含壓電片）和放大的分支微結(jié)構(gòu)的照片。

圖2. a) 仿生超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。b) 計(jì)算的等效折射率和仿生超材料弧長(zhǎng)L的振動(dòng)分布。c) 沿著傳播軸不同位置等效折射率的分布特性。d) 帶有壓電片的超材料的模擬模型。e) 當(dāng)彈性波以150Hz入射時(shí)，超材料的模擬位移分布。h)仿生超材料中4個(gè)通道的電壓增益。

圖3. a）模擬人類聽覺過程的體外實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置。b，c）分別為鋼琴曲和動(dòng)物聲音的原始頻譜圖。d, e) 經(jīng)過8通道人工耳蝸處理后的鋼琴曲和動(dòng)物聲音的頻譜圖。f, g) 經(jīng)過8通道仿生超材料耳蝸處理后鋼琴曲和動(dòng)物聲音的頻譜圖。孤立的后肢反復(fù)彈跳，同步放大BSEM的電刺激。h，i）體外牛蛙后肢電刺激實(shí)驗(yàn)。在仿生超材料耳蝸輸出的電刺激激勵(lì)下，離體的后肢反復(fù)彈跳。

圖4. a) 在仿生超材料的直接電刺激下進(jìn)行聽覺腦干響應(yīng)采集的實(shí)驗(yàn)裝置。b) 由不同頻率短音激勵(lì)仿生超材料而產(chǎn)生的電刺激直接激勵(lì)小鼠耳蝸聽神經(jīng)，小鼠的聽覺腦干響應(yīng)采集結(jié)果。c) 對(duì)正常小鼠和聾啞小鼠（對(duì)照）進(jìn)行純聲學(xué)刺激的采樣結(jié)果。右邊的坐標(biāo)表示整個(gè)圖中聽覺腦干響應(yīng)的持續(xù)時(shí)間和振幅的比例。d) 當(dāng)耳蝸完全沒有受到刺激時(shí)，聾啞小鼠（對(duì)照）的聽覺腦干響應(yīng)結(jié)果。e） 不同頻率短音激勵(lì)仿生超材料而產(chǎn)生的電刺激直接激勵(lì)小鼠耳蝸聽神經(jīng)，聽覺腦干響應(yīng)幅值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

  此項(xiàng)工作提出了一種提出了一種仿生軟體彈性超材料的設(shè)計(jì)，它可以被看作是實(shí)現(xiàn)自然聽力的無源人工耳蝸的原型。文章通過理論分析和模擬描述了仿生超材料的原理。文章作者通過測(cè)量和動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明了仿生超材料的特點(diǎn)、便利性和生物效應(yīng)。仿生超材料耳蝸擁有多達(dá)160個(gè)頻率通道，覆蓋了150 Hz ~ 12 kHz的可聽范圍，無源模擬輸出電壓高達(dá)2 V。同時(shí)，仿生超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以針對(duì)每個(gè)人的生理位置-音調(diào)映射進(jìn)行優(yōu)化，以獲得更好的性能。在這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)上，有希望制備出具有更好的聽覺體驗(yàn)、更少的不便和更高的安全性的完全可植入的仿生耳蝸，這可以為患有聽力損失的人帶來自然的聽覺體驗(yàn)。

  論文第一作者為華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院博士后唐瀚川與生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院博士研究生張淑杰。論文通訊作者為華中科技大學(xué)先進(jìn)醫(yī)療交叉研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、集成電路學(xué)院學(xué)院、智能制造裝備與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢光電國(guó)家研究中心臧劍鋒教授，華中科技大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳威副教授以及華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院附屬協(xié)和醫(yī)院肖紅俊教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助支持。

  原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207273

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

  臧劍鋒現(xiàn)任華中科技大學(xué)集成電路學(xué)院、武漢光電國(guó)家研究中心教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家海外高層次引進(jìn)人才青年項(xiàng)目入選者。主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題，國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、華為委托技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目等國(guó)家或重點(diǎn)企業(yè)項(xiàng)目5項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)專注于多學(xué)科交叉的智能軟材料與器件研究。課題組面向醫(yī)療健康重大需求開展醫(yī)工交叉研究，智能醫(yī)療機(jī)器人，人機(jī)界面可靠接口。

  課題組熱烈歡迎不同背景（尤其是光電工程，電子工程，機(jī)械，材料，生物工程等）的優(yōu)秀本科生/碩士生申請(qǐng)加入研究團(tuán)隊(duì)！同時(shí)招聘研究助理及博士后。希望不同背景的我們，能夠在團(tuán)隊(duì)內(nèi)碰撞出思維的火花，為了同一個(gè)目標(biāo)努力，一起快樂地做有意思且有意義的科研工作！詳情見：https://mp.weixin.qq.com/s/0mTno9v9HCKONRKRwu8G7w