難聴は、生まれつきの人もいれば、加齢や感染症、長時間の騒音への暴露などによって後天的に発症する人もいます。多くの場合、内耳の蝸牛にある小さな毛が損傷し、脳が電気パルスを音として認識できるようになっています。ACS Nano誌の研究者らは、高度な人工蝸牛へのステップとして、導電性膜を報告した。この膜は、モデルの耳の中に埋め込むと、外部電力を必要とせずに、音波を一致した電気信号に変換することができる。論文 「圧電効果を利用した人工蝸牛への応用を目指した音響コアシェル共鳴型ハーベスタ" がACS NANOに掲載されました。
内耳の有毛細胞が働かなくなると、そのダメージを元に戻すことはできません。現在のところ、補聴器や人工内耳が治療の手段となっています。しかし、これらの機器は外部電源を必要とし、ユーザーが理解できるように正しく音声を増幅することが困難です。
その解決策のひとつが、健康な蝸牛毛をシミュレートして、ノイズを脳が認識可能な音として処理する電気信号に変換することです。そのために、これまでの研究者は、音波に伴う圧力で圧縮されると帯電する圧電材料や、音波で動くと摩擦や静電気が発生する摩擦電材料などの自己発電型材料を試してきた。しかし、このデバイスを作るのは簡単ではなく、人間の会話に含まれる周波数帯域では十分な信号が得られない。
そこで、Yunming Wang教授らは、圧縮と摩擦の両方を利用する材料を簡単に作製し、広い音声周波数範囲にわたって高い効率と感度をもつ音響センシングデバイスを実現したいと考えた。研究者らは、二酸化ケイ素でコーティングしたチタン酸バリウムナノ粒子を導電性高分子に混ぜ、これを乾燥させて薄く柔軟なフィルムにし、圧電三重極材料を作製した。次に、アルカリ溶液で二酸化ケイ素の殻を除去した。すると、ナノ粒子の周りにスポンジのような空間ができ、音波を当てたときにナノ粒子が揺れ動くようになった。
実験では、ナノ粒子とポリマーを接触させることで、膜の電気出力が純粋なポリマーに比べて55%増加することが確認された。さらに、この膜を2枚の薄い金属グリッドで挟んだところ、音響センシングデバイスは170ヘルツで最大の電気信号を発した。この周波数は、成人のほとんどの声の範囲に含まれる。そして、この装置を耳の模型に埋め込み、音楽ファイルを再生した。その電気信号を記録し、新しい音声ファイルに変換したところ、元の音声ファイルに強い類似性が見られた。研究者らは、この自己発電型デバイスは、ほとんどの音や声を聞くのに必要な広い音響範囲に感度があると述べている。
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