基于二维薄膜的自供电新型仿生人工耳蜗基础研究

At present, there are a large number of people with hearing disabilities in our country. Artificial cochlear implant is the most effective way to help them regain their hearing. The academic community has been exploring fully implanted cochlear implants. Implanted acoustic transducer is the core of cochlear implant, but also difficult and technical bottleneck. The applicant innovatively proposed a new type of biomimetic cochlear basic research based on self-powered two-dimensional film, using graphene or molybdenum sulfide to simulate human cochlea, with self-powered, small size, high sensitivity and wide sound spectrum detection of the characteristics. After literature research, we have not found that two-dimensional films such as graphene are used in the field of artificial cochlea, which has outstanding innovative and research value. The main research contents include: (1) To study the mechanism of electro-acoustic conversion of two-dimensional thin films; (2) Design of device structures of high-quality two-dimensional thin films and micro/nano processing of prototype devices; (3) flexible and arrayed bionic cochlear implants device and verify functionality. The applicant team has a solid foundation of research in new types of graphene acoustic devices, graphene energy harvesting devices and micro/nano processing technologies. The implementation of this project is expected to lead our country's cochlear research to the forefront of the world and is of great strategic significance for solving the huge deaf population in society.

当前我国听力残疾人群数量庞大，人工耳蜗是帮助他们重获听力的最有效办法。学术界一直在探索全植入式人工耳蜗，可植入式声电换能器是人工耳蜗的核心，也难点和技术瓶颈。申请人创新性提出基于二维薄膜的自供电新型仿生人工耳蜗基础研究，采用全新的二维薄膜(石墨烯或者硫化钼)来模拟人体耳蜗，具有自供电、体积小、高灵敏和宽声谱探测的特点。经过文献调研，尚未发现石墨烯等二维薄膜应用于人工耳蜗领域，具有突出创新性和研究价值。主要研究内容包括：（1）研究二维薄膜的声电转换机制；（2）高质量二维薄膜的器件结构设计和原型器件的微纳加工；（3）柔性化和阵列化的仿生人工耳蜗器件及功能验证。申请人团队在新型石墨烯声学器件、石墨烯能量收集器件及微纳加工技术等方面有着雄厚的研究基础。本项目的开展有望让我国的人工耳蜗研究走在国际前沿，对于解决目前社会上庞大的耳聋群体具有重大战略意义。

本项目围绕基于二维薄膜的自供电新型仿生人工耳蜗展开研究，主要研究内容及取得的成果包括：（1）结合第一性原理和有限元分析，仿真了石墨烯及二硫化钼的能带结构，同时建立了基于石墨烯薄膜的人工耳蜗模型和基于二硫化钼薄膜的人工耳蜗模型；（2）结合静电纺丝技术和激光直写技术获得了可实现高灵敏度声波探测的石墨烯薄膜器件原型，器件能探测可听域20 Hz-20 kHz频段内的声音，声音探测灵敏度最高达1175.5 mV/Pa，相比于传统振膜提升了1-2个数量级，输出电压信号强度高于0.1 mV；（3）仿真并制备了基于聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜的阵列化的人工耳蜗器件，器件阵列的谐振频率逐渐增加，实现类人工耳蜗的功能；（4）在国际重要学术期刊及会议上发表论文47篇（其中Nature主刊一篇，Nature子刊、Science子刊和Cell子刊各1篇，影响因子大于10的论文15篇），项目资助下亮点研究成果：（1）开发了具有亚1纳米栅极长度的垂直二硫化钼晶体管，于2022年发表在国际顶级期刊《Nature》并入选2022年国内十大科技新闻及2022年度“中国半导体十大研究进展”；（2）针对人工耳和人工喉器件原型的研究，开发了具有二级放大功能的高灵敏Mxene人工耳器件原型、基于激光直写石墨烯的超灵敏人工喉原型、融合肌电信号和人工喉信号的仿生双通道语音识别方法等，相关成果在线发表/录用在《Nature Machine Intelligence》、《Science Advances》、《ACS Nano》和《Cell Reports Physical Science》。申请8项专利（已授权7项），培养7名博士及硕士研究生，依托本项目培养负责人田禾入选2020年国家优青。项目开展按照研究计划执行，完成了提出的研究目标并达到了预期成果。本项目创新性提出了基于二维薄膜的人工耳蜗，具有体积小、高灵敏和宽声谱探测的特点，是二维材料在人工耳蜗领域内的突破性应用；基于二维薄膜的人工耳蜗可应用于听力残疾或听力损伤人群使用，帮助他们重获听力，也可应用于机器人听觉，实现人机听觉信息交互，项目取得的成果具有重要的科学意义和社会应用价值，项目相关成果得到了丰田汽车、腾讯公司及佛山市政府后续应用开发支持。