近日，《AdvancedScience》在線刊發了我院臧劍鋒教授團隊關于恢複聽障患者自然聽力的仿生軟體彈性超材料最新研究成果：“Bioinspired Soft Elastic Metamaterials for Reconstruction of Natural Hearing” 論文第一作者為6774澳门永利博士後唐瀚川與生命科學與技術學院博士研究生張淑傑。論文通訊作者為6774澳门永利、武漢光電國家研究中心臧劍鋒教授，6774澳门永利生命科學與技術學院陳威副教授以及6774澳门永利同濟醫學院附屬協和醫院肖紅俊教授。6774澳门永利為論文第一完成單位。

圖1. 人類的自然聽覺過程和仿生超材料的設計

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。然後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。聲音信号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。

人工耳蝸已經商業化了近40年，為衆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，他們很難區分不同的音調，無法從噪音中識别語音信号或欣賞音樂。像正常人一樣自然聽聲音是聽力損失患者的長期願望，但尚未實現。

基于此，研究團隊提出了一種生物啟發的軟體彈性超材料，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赫茲的可聽範圍，有望實現自然聆聽效果。該項工作核心是設計功能和形态仿生耳蝸的柔性聲學超材料來實現被動式聲波聚集增強。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将聲信号轉化為電信号，再利用轉換後的電信号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，以适應耳蝸中的螺旋管，同時保持良好的音高-位置映射性能。作者通過理論分析、模拟和實驗驗證了仿生超材料可以區分C大調音階的不同音高。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4.在仿生超材料的直接電刺激下進行聽覺腦幹響應采集的實驗裝置

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拟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的可聽範圍，無源模拟輸出電壓高達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-音調映射進行優化，以獲得更好的性能。

基于該項成果，團隊已經獲批國家自然科學基金委員會交叉科學部首批原創探索計劃項目（300萬）。團隊将在這項工作的基礎上，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。

團隊簡介

臧劍鋒現任6774澳门永利、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。主持國家重點研發計劃項目課題、國家自然科學基金原創探索計劃、國家自然科學基金面上項目、華為委托技術開發項目等國家或重點企業項目。團隊專注于多學科交叉的智能軟材料與器件研究。課題組面向醫療健康重大需求開展醫工交叉研究，智能醫療機器人，人機界面可靠接口。

本課題組熱烈歡迎不同背景（尤其是光電、電子、機械、材料、生物工程等）的優秀學生申請加入研究團隊！同時招聘研究助理及博士後。希望不同背景的我們，能夠在團隊内碰撞出思維的火花，為了同一個目标努力，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

原文鍊接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202207273