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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，每個特定頻率的聲音都會在特定的地方激活相應的特定毛細胞群，這被稱為位置編碼。同時，每個毛細胞的觸發(fā)與外界聲音（主要是中低頻）的實時變化同步，這被稱為時間編碼。聲音信號就這樣通過耳蝸中的毛細胞傳遞給聽覺神經，再通過聽覺神經傳遞給聽覺皮層中的相應區(qū)域。然而，全球有1/5的人患有不同程度的聽力損失，估計其中有4.3億人屬于中度或更加嚴重的聽力損失。毛細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，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，無法從噪音中識別語音信號或欣賞音樂。像正常人一樣自然聽聲音是聽力損失患者的長期愿望，但尚未實現。

  最近，華中科技大學臧劍鋒團隊提出了一種生物啟發(fā)的軟體彈性超材料，它再現了人類耳蝸的形狀和功能。通過利用軟質材料作為基體和合理的超材料結構設計，超材料的整體尺寸為幾厘米（與現有人工耳蝸相當），擁有多達168個頻率通道，覆蓋150赫茲至12000赫茲的可聽范圍，有望實現自然聆聽效果。相關工作以“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計如圖一所示。該項工作核心是設計功能和形態(tài)仿生耳蝸的柔性聲學超材料來實現被動式聲波聚集增強（圖二）。具體是通過在軟材料中設計梯度等效折射率來實現對人體外耳、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特點的耳蝸位置編碼），進一步添加壓電材料將聲信號轉化為電信號，再利用轉換后的電信號直接刺激耳蝸相應位置的聽神經（耳蝸時間編碼）。仿生軟彈性超材料可以被拉伸或彎曲，以適應耳蝸中的螺旋管，同時保持良好的音高-位置映射性能。作者通過理論分析、模擬和實驗驗證了仿生超材料可以區(qū)分C大調音階的不同音高（圖三）。動物實驗表明，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計。a) 正常人的自然聽覺過程。外部聲音通過外耳、中耳、內耳和聽覺神經通路傳入大腦。b) 仿生超材料的詳細結構。c) 仿生超材料成品的側視圖。d, e) 分別是超材料樣品（不含壓電片）和放大的分支微結構的照片。

圖2. a) 仿生超材料結構設計示意圖。b) 計算的等效折射率和仿生超材料弧長L的振動分布。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) 當彈性波以150Hz入射時，超材料的模擬位移分布。h)仿生超材料中4個通道的電壓增益。

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

圖4. a) 在仿生超材料的直接電刺激下進行聽覺腦干響應采集的實驗裝置。b) 由不同頻率短音激勵仿生超材料而產生的電刺激直接激勵小鼠耳蝸聽神經，小鼠的聽覺腦干響應采集結果。c) 對正常小鼠和聾啞小鼠（對照）進行純聲學刺激的采樣結果。右邊的坐標表示整個圖中聽覺腦干響應的持續(xù)時間和振幅的比例。d) 當耳蝸完全沒有受到刺激時，聾啞小鼠（對照）的聽覺腦干響應結果。e） 不同頻率短音激勵仿生超材料而產生的電刺激直接激勵小鼠耳蝸聽神經，聽覺腦干響應幅值的統(tǒng)計結果。

  此項工作提出了一種提出了一種仿生軟體彈性超材料的設計，它可以被看作是實現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。文章作者通過測量和動物實驗證明了仿生超材料的特點、便利性和生物效應。仿生超材料耳蝸擁有多達160個頻率通道，覆蓋了150 Hz ~ 12 kHz的可聽范圍，無源模擬輸出電壓高達2 V。同時，仿生超材料的結構設計可以針對每個人的生理位置-音調映射進行優(yōu)化，以獲得更好的性能。在這項工作的基礎上，有希望制備出具有更好的聽覺體驗、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。

  論文第一作者為華中科技大學集成電路學院博士后唐瀚川與生命科學與技術學院博士研究生張淑杰。論文通訊作者為華中科技大學先進醫(yī)療交叉研究團隊負責人、集成電路學院學院、智能制造裝備與技術全國重點實驗室、武漢光電國家研究中心臧劍鋒教授，華中科技大學生命科學與技術學院陳威副教授以及華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬協(xié)和醫(yī)院肖紅俊教授。該研究得到國家自然科學基金資助支持。

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

團隊簡介

  臧劍鋒現任華中科技大學集成電路學院、武漢光電國家研究中心教授，博士生導師，國家海外高層次引進人才青年項目入選者。主持國家重點研發(fā)計劃項目課題，國家自然科學基金面上項目、華為委托技術開發(fā)項目等國家或重點企業(yè)項目5項。團隊專注于多學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)療機器人，人機界面可靠接口。

  課題組熱烈歡迎不同背景（尤其是光電工程，電子工程，機械，材料，生物工程等）的優(yōu)秀本科生/碩士生申請加入研究團隊！同時招聘研究助理及博士后。希望不同背景的我們，能夠在團隊內碰撞出思維的火花，為了同一個目標努力，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