耳蜗及耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法

摘要

本发明公开了一种耳蜗及耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法，其通过类比耳蜗结构和功能，进行仿生声学超材料的设计方法，包括类比整个耳蜗功能和结构的智能宽频仿生声学器件及宽频机械波能量回收装置的设计，及类比毛细胞功能和结构的集成纤毛型复合仿生声学超材料设计。本发明为声学超材料的设计提供了全新的思路，提出了以哺乳动物的声学功能器官耳蜗为原型，来设计仿生声学材料的思路和具体设计方法。采用这种仿生设计方法，可以达到如下效果：(1)实现复杂耳蜗结构的参数化表达；(2)实现20～20000Hz跨度达3个数量级的宽频机械波调控；(3)实现整个可听频段内的宽频机械波能量回收；(4)实现低至21Hz，即听阈下限的低频减振降噪。

说明书

【技术领域】

本发明属于仿生声学超材料设计技术领域，具体涉及耳蜗及耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法。

【背景技术】

自然界中的生命已通过数十亿年的进化，完成了智能操控的所有过程，向自然学习，包括仿生和生物类比将是材料设计的永恒主题。通过仿生设计，我们不但获得和天然生物组织一样智能的材料，甚至还能获得在某些方面超越天然材料的新型材料。目前，仿生材料设计已经成为材料设计的热点话题。在声学领域，仿生声学材料在噪声控制和声学伪装等方面具有广泛的应用前景。仿生设计理念近年来也被引入了光学材料和声学材料的设计当中，如研究者提出了一种具有形状记忆功能的DNA仿生声学超材料和光学超材料。以往的研究表明，声学超材料可以实现以远小于声波波长的结构，对低频声波及机械波进行调控，即实现小尺寸控制大波长。而耳蜗作为哺乳动物的声学处理器官，理应是仿生声学超材料设计的最佳原型。

耳蜗是听觉系统的核心器官，形似螺旋形的蜗牛外壳，内腔充满液体，即淋巴液，外壳是骨壁。耳蜗分为三个腔，中间由隔膜隔开，分别是前庭阶、中阶和鼓阶。中阶和前庭阶之间由前庭膜分隔，中阶和鼓阶之间由基底膜分隔。完成听觉功能的主要结构是基底膜和处在中阶内并附着在基底膜上的螺旋器，由一些特殊细胞组成。在结构复杂的螺旋器中，主要细胞类型有：毛细胞、支持细胞、内外柱细胞。毛细胞包括内毛细胞和外毛细胞；支持细胞是包绕毛细胞的几种细胞，包括内指细胞、外指细胞、Hensen细胞及Claudius细胞等。毛细胞上还有V型分部的纤毛簇，每个毛细胞上3排，每排的开角和长度不一样。

耳蜗的研究最早可追溯到古希腊，当时认为耳是一系列可调节共振腔。到20世纪，产生了较为经典的位置学说和行波学说。Helmholtz认为，基底膜的横向纤维像张力琴弦一样做出响应，底部的短弦对应高频响应，顶部的长弦对应低频响应。行波学说方面，Békésy于1960年通过物理学技术和解剖学方法，首次在人和多种动物的耳蜗中直接观察了基底膜的运动形式，系统地测量了基底膜对声音反应的物理学特性，并提出了行波学说，为耳蜗力学奠定了基础，并因此获得了诺贝尔奖。除了上述两大经典学说，较为著名的还有Gold于1948年提出的“耳蜗放大器”学说，并于1977年被Russell和Sellick通过实验进行了证实，这种学说目前已经综合了上述两大学说，成为目前耳蜗力学的主导理论。

2010年，Tobias等人对耳蜗基底膜的双重放大机制进行了研究，指出通过耳蜗内部结构与淋巴液的相互作用，可以将声刺激信号放大4000倍以上。Jessica等提出了一种两自由度的双行波耳蜗模型，同时考虑了盖膜和基底膜的作用。2008年，Yang等提出了一种具有动态负质量的膜型声学超材料，初步计算了结构的带隙，可以实现100-1000Hz的宽频低频带隙，Mei等于2012年通过试验进行了验证，证明结构有非常好的吸声效果。与这种声学超材料相比，耳蜗基底膜则是一种对刺激具有4000倍以上放大倍数的薄膜型天然声学超材料。

耳蜗基底膜是杰出的频率分析与选择器，可以对20～20000Hz相差一千倍的声音信号做出精确响应，蝙蝠和豚鼠等还具有更宽的频率选择范围。由于基底膜弹性参数均匀连续变化，基底膜两侧的淋巴液提供了质量并传递了激励，外围的软骨提供了局域化的约束和刚度。因此从功能上讲，耳蜗结构可以看作是一种天然的局域共振薄膜型螺旋状声学超材料。通过这个结构，不仅能局域住可听声阈内的宽频刺激，而且刺激信号可以放大4000倍以上。由于局域共振能产生很大的振动能量，并且会被局域住，而不向外传播，因此这种原理可以用于设计非常理想的高效率宽频能量回收器。事实上，由于基底膜上还分布着周期性的毛细胞和纤毛，通过纤毛与盖膜的动态接触产生压电换能作用，盖膜充当了压电材料的作用。说明耳蜗具备了天然的压电能量转换功能，这种转换得到的电能通过神经通向中枢神经系统，完成了听觉反馈过程。

由于基底膜上分布着周期性的毛细胞，毛细胞上又分布有周期性的纤毛簇，通过纤毛簇与盖膜的动态接触产生压电换能作用，盖膜充当了压电材料的作用，周期性外毛细胞及其上面的纤毛簇则构成了调制机械波的周期性结构。综上所述，哺乳动物的耳蜗作为哺乳动物的声学器官，本身具有许多天然的神奇特征，很多功能和声学超材料是一致的，而且很多功能是现有的声学超材料无法比拟的，如以如此微小的结构实现宽频响应等。因此，由于耳蜗具有这些杰出的力学声学行为和丰富的力学特征，可以通过耳蜗仿生声学超材料的设计，为声学超材料的设计提供全新的思路。

【发明内容】

本发明的目的在于以哺乳动物耳蜗功能和结构特征为原型，提供了耳蜗及耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

耳蜗仿生声学超材料设计方法，包括以下步骤：

1)以参数化的螺旋线代替实际哺乳动物耳蜗螺旋结构，并根据实际需要选择螺旋线的起始半径、终止半径、螺距以及圈数四项尺寸参数；

2)采用橡胶弹性薄膜材料代替基底膜、前庭膜和卵圆膜三种弹性组织结构；

3)采用柔性压电材料代替盖膜结构；

4)采用树脂或塑料代替窝管软骨组织结构；

5)采用金属材料钛合金代替镫骨底板结构；

6)采用水代替淋巴液；

7)采用3D打印进行树脂或塑料螺旋窝管结构成型；橡胶薄膜、柔性压电材料采用刀具加工；钛合金镫骨底板结构采用模具制造；

8)采用胶水将橡胶基底膜、前庭膜和柔性压电材料盖膜粘接在树脂或塑料制成的窝管内壁上；待完全固定后往窝管中注入水，使内部充满；将橡胶卵圆膜用高强度胶水粘在窝管底端平面预留的孔处，完成密封；然后将钛合金镫骨底板粘接在卵圆膜上，完成整个耳蜗仿生结构的装配。

本发明进一步改进在于：弹性橡胶基底膜的厚度、宽度均匀变化，底端厚而窄，顶端宽而薄。

本发明进一步改进在于：弹性薄膜结构一侧布置有柔性压电换能薄层结构，在受到弹性薄膜传来的位移激励时，能够产生电信号。

本发明进一步改进在于：耳蜗仿生声学超材料从薄膜最窄的一侧到最宽的一侧，厚度和刚度从大到小变化，对应的响应频率从高达20000Hz的高频到低达20Hz的低频变化，覆盖听阈内的所有频率。

耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法，包括以下步骤：

1)将周期性分布的单个耳蜗毛细胞和指细胞整体简化为圆柱，基底膜、网板和毛细胞上的纤毛简化为方块，采用三维建模软件对耳蜗毛细胞和纤毛进行建模；

2)采用橡胶弹性材料代替基底膜、网板、毛细胞以及指细胞结构；

3)采用铁片代替纤毛结构；

5)在网板和基底膜底端一侧分别布置塑料或树脂材料制作的底框架和顶框架结构；

6)采用模具一体成型出毛细胞、基底膜和网板三部分橡胶结构，毛细胞处于基底膜和网板之间；用胶水分别将塑料或树脂底框架和顶框架分别粘在基底膜和网板的侧面，并将铁片纤毛粘在网板顶侧，完成耳蜗毛细胞仿生结构的装配。

本发明进一步改进在于：该耳蜗毛细胞仿生声学超材料的单元结构由两个方形弹性薄膜组成，弹性薄膜侧面布置有硬质框架，由弹性圆柱将两个弹性薄膜连接起来，两个弹性薄膜分别相当于基底膜和网板的作用，其中网板的顶侧布置有三片高度比为4:2:1的V型铁片；弹性圆柱相当于毛细胞和指细胞的作用，铁片相当于纤毛的作用。

本发明进一步改进在于：耳蜗毛细胞仿生声学超材料的最低禁带频率低至听阈下限，达到21Hz。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

1、本发明提出了全新的声学超材料设计方法，即基于哺乳动物耳蜗结构和功能特征的仿生声学超材料设计方法；

2、本发明类比整体耳蜗结构可设计覆盖全部可听声阈内20～20000Hz的宽频机械波能量回收装置和具有精确选频能力的宽频声学功能器件；

3、本发明采用参数化的螺旋结构代替了实际耳蜗的不规则螺旋结构，便于结构参数调整和加工制造；

4、本发明类比实际耳蜗基底膜参数梯度变化的特征，能够实现实际基底膜的位置-频率对应特征；

5、本发明类比实际耳蜗周期性毛细胞结构特征，设计的复合型声学超材料，能够实现低达可听声频段下限的低频减振降噪，禁带最低可低至21Hz。

根据本发明耳蜗仿生声学超材料设计方法的上述特点，其可以设计宽频能量回收装置、具有精确选频能力的宽频声学功能器件、薄膜型功能梯度声学超材料、毛细胞型复合仿生声学超材料等，可广泛用于能量回收装置、传感器件设计和减振降噪中。

【附图说明】

图1为参数化螺旋耳蜗仿生结构示意图；

图2为基底膜对机械波的响应曲线；

图3a为毛细胞复合单元结构示意图；3b为毛细胞仿生声学超材料单元结构示意图；

图4a为毛细胞复合结构的能带图；4b为毛细胞仿生声学超材料结构的能带图。

图中：1为基底膜，2为指细胞，3为毛细胞，4为网板，5为纤毛，6为底框架，7为顶框架。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

参见图1和2，本发明耳蜗仿生声学超材料设计方法，包括以下步骤：

1)以参数化的螺旋线代替实际哺乳动物耳蜗螺旋结构，并根据实际需要选择螺旋线的起始半径、终止半径、螺距以及圈数四项尺寸参数；

2)采用橡胶弹性薄膜材料代替基底膜、前庭膜和卵圆膜三种弹性组织结构；

3)采用柔性压电材料代替盖膜结构；

4)采用硬度较大的树脂或塑料代替窝管软骨组织结构；

5)采用高强度金属材料钛合金代替镫骨底板结构；

6)采用水代替淋巴液；

7)采用3D打印进行树脂或塑料螺旋窝管结构成型；橡胶薄膜、柔性压电材料采用刀具加工；钛合金镫骨底板结构采用模具制造；

8)采用高强度胶水将橡胶基底膜、前庭膜和柔性压电材料盖膜粘接在树脂或塑料制成的窝管内壁上；待完全固定后往窝管中注入水，使内部充满；将橡胶卵圆膜用高强度胶水粘在窝管底端平面预留的孔处，完成密封；然后将钛合金镫骨底板粘接在卵圆膜上，完成整个耳蜗仿生结构的装配。

其中，弹性橡胶基底膜的厚度、宽度均匀变化，底端厚而窄，顶端宽而薄。

弹性薄膜结构一侧布置有柔性压电换能薄层结构，在受到弹性薄膜传来的位移激励时，能够产生电信号。从薄膜最窄的一侧到最宽的一侧，厚度和刚度从大到小变化，对应的响应频率从高达20000Hz的高频到低达20Hz的低频变化，覆盖听阈内的所有频率。

参见图3和4，本发明耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法，包括以下步骤：

1)将周期性分布的单个耳蜗毛细胞3和指细胞2整体简化为圆柱，基底膜1、网板4和毛细胞3上的纤毛5简化为方块，采用三维建模软件对耳蜗毛细胞3和纤毛5进行建模；

2)采用橡胶弹性材料代替基底膜1、网板4、毛细胞3以及指细胞2结构；

3)采用铁片代替纤毛5结构；

5)在网板4和基底膜1底端一侧分别布置塑料或树脂材料制作的框架结构；

6)采用模具一体成型出毛细胞3、基底膜1和网板4三部分橡胶结构，毛细胞3处于基底膜1和网板4之间；用胶水分别将塑料或树脂底框架6和顶框架7分别粘在基底膜1和网板4的侧面，并将铁片纤毛5粘在网板4顶侧，完成耳蜗毛细胞仿生结构的装配。

其中，设计的耳蜗毛细胞仿生声学超材料的单元结构由两个方形弹性薄膜组成，弹性薄膜底侧布置有硬质框架，由弹性圆柱将两个弹性薄膜连接起来，两个弹性薄膜分别相当于基底膜1和网板4的作用，其中，网板4的顶侧布置有三片高度比为4:2:1的V型铁片；弹性圆柱相当于毛细胞和指细胞2的作用，铁片相当于纤毛5的作用。耳蜗毛细胞仿生声学超材料的最低禁带频率低至听阈下限，达到21Hz。

为了对本发明耳蜗及耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法进一步了解，现对其做进一步说明。

(一)耳蜗整体结构仿生设计方法

人的耳蜗是一个螺旋形的骨管，骨管绕耳蜗的中轴即蜗轴旋转2.5～2.75圈到蜗顶。从骨螺旋板的外缘到耳蜗的外壁，有薄膜连接，这就是基底膜，它也随着骨螺旋板盘旋上升，直达耳蜗顶部。基底膜从蜗轴底部盘旋上升，直达蜗顶，总长约33mm。靠近底端最窄，宽约0.1mm，对应听阈上限20000Hz；顶端最宽，宽约0.5mm，对应下听阈值20Hz。基底膜约由29000根横行纤维所构成。

耳蜗工作原理如下：当声波的机械振动通过听骨链到达卵圆窗膜时，压力变化立即传给耳蜗内液体和膜性结构，引起耳蜗淋巴液的振动，镫骨内移时，前庭膜和基底膜就将下移，最后是鼓阶的外淋巴压迫圆窗膜向外突出；相反，当镫骨外移时，整个耳蜗内结构又作反方向的移动，于是引起基底膜振动，这种振动是以波的形式沿着基底膜向前传播。在这个过程中，圆窗膜实际上起着缓冲耳蜗内压力变化的作用，是耳蜗内结构发生振动的必要条件。

虽然耳蜗整个中阶都在淋巴液的作用下发生变形，但是除了基底膜和盖膜是柔性薄膜外，其余上下边界都是较硬的软骨，而盖膜也主要是起到与纤毛发生非线性接触并形成压电换能的作用，主要振动是由基底膜完成的。因此，耳蜗的这种天然的压电换能功能可以等效类比到能量回收装置的设计制造中，通过尺寸的等比例放大，弹性较好的薄膜材料取代基底膜，刚度较高的金属材料或无机材料取代软骨，柔性压电材料取代盖膜，弹性较好的合成纤维取代纤毛，粘度和密度与淋巴液相当的水取代淋巴液，用导线取代神经纤维，电容器取代神经中枢，就可以构成一个非常理想的宽频高效能量回收器。并且通过对蝙蝠和豚鼠的耳蜗研究表明，如果增加结构的螺旋圈数，还能增加带宽。

由于耳蜗所具有的螺旋结构特殊特征，使得淋巴液对基底膜的作用呈现出非常杰出的宽频响应功能。通过局域共振理论可以知道，由于基底膜的弹性变形能力与耳蜗壁面的软骨相差非常大，这就导致内部的振动能量会被局域化，而无法向外传播。因此只需设计出与耳蜗类似的能量回收器，通过柔性压电材料取代盖膜产生压电换能作用，然后在纤毛后端相当于外毛细胞的位置接上相当于神经纤维的导线，再将导线接到储能设备上，就可以实现高效率的宽频能量回收。

由于耳蜗本身结构是不规则的，较为复杂，因此最好是能用较为规则的结构来代替，这样对实际设计能量回收器并在实际中实现应用是非常有意义的。因此本发明通过规则的参数化螺旋结构来代替实际的不规则耳蜗结构，主要是用来模拟2.5到2.7圈的螺旋管道和基底膜。在参数化的等效结构中，一些关键参数的选择满足耳蜗特征的要求，包括基底膜的尺寸参数等。所设计的参数化仿生耳蜗结构和内部的基底膜结构如图1所示。为了验证等效结构是否与真实耳蜗结构具有同样的宽频局域共振功能，对基底膜进行了模态分析，并对整个耳蜗结构进行了流固耦合频率响应分析。根据以往的研究表明，只需用基底膜和软骨将耳蜗平分为两个腔，即前庭阶和鼓阶，占比例较小的中阶忽略不考虑。

为了分析基底膜上的响应情况，对整个耳蜗结构进行流固耦合频率响应分析。频响分析中，约束蜗管外壁位移，OC中心点上施加1N单位正弦宽频刺激，求解频率范围为20-20000Hz，基底膜不同位置对应的响应情况如图2所示。从图中的频响曲线可以看出，底端位置(节点205100)的响应峰值与中间部位和顶端相比不太明显，只在17000Hz左右有个较明显的峰值，这与位置学说基本吻合；中间位置(节点205748)在约2000Hz、6500Hz(负的峰值)和8500Hz左右有较明显的峰值，8500Hz左右的峰值与位置学说比较吻合，其余两个峰值与顶端的峰值重合，可能是由于淋巴液的共振引起的；顶端的峰值较多，2000Hz左右的峰值与位置学说较为吻合。从顶端的丰富谐波特性都可以看出，耳蜗顶端本身的力学行为非常复杂，这与以往大量的研究结果是一致的。因此，本文的研究一定程度上说明了耳蜗顶端的复杂力学行为与结构特征有着密不可分的关系，这种特性在直管简化模型中是体现不出来的。

总体上讲，虽然本方面提出的参数化简化耳蜗模型由于结构参数和材料参数与实际情况存在一定的偏差，不能完全逼近真实耳蜗的力学行为，特别是耳蜗顶端的复杂非线性力学行为。然而，该简化模型已经基本具备了很多真实耳蜗所具有的力学特征，包括位置频率匹配关系、宽频响应特性和顶端的复杂力学行为。事实上，设计宽频能量回收装置等仿生声学器件并不需要完全符合真实耳蜗的力学性能。因此，用参数化简化螺旋耳蜗仿生模型来设计宽频能量回收装置等仿生声学器件是完全可行的。

通过基底膜不同位置的响应表明，所建立的参数化螺旋耳蜗结构可以有效模拟耳蜗真实结构所具备的一些特殊力学性能，实现宽频响应，这为设计可以实际应用的宽频能量回收装置等仿生声学器件提供了简化设计的依据，使设计复杂度大大降低，有效地增加了实际应用的可能性。实现如此宽频的高效能量回收装置对于能量回收装置的设计来说是非常有价值的，由于振动噪声的能量主要分布在中低频段，它可以使能量回收的效率提高到接近100％的理想水平。在实际应用中，对模型可以进行放大，比如放大1000倍，并把橡胶薄膜的厚度变薄，如0.5mm，这样，就可以把薄膜的最低固有频率设计在20Hz左右，达到模拟耳蜗功能的理想效果。总的来说，这种装置可以广泛回收各种机械波产生的能量，而这种参数化的简化建模方法已经足以满足宽频高效能量回收装置的设计要求。

(二)基底膜弹性薄膜型仿生声学超材料设计方法

同样，采用参数化的仿生螺旋结构代替实际的基底膜结构，由于几何建模时考虑了变宽度，在计算时通过分段赋予阶梯性厚度参数，来等效模拟基底膜变厚度特征。基底膜底端厚度约为30μm，顶端厚度约为10μm，一共分成了20段，梯度为1μm，计算中保留了连接基底膜的软骨。模态分析需要达到的预期效果是顶端对应的基底膜固有频率为20Hz左右，底端对应的固有频率为20000Hz左右，而中间部位应视与两端的距离比，达到中间的一个固有频率，即在20-20000Hz内，基本上每一段都有响应，而且对应的固有频率阶梯分布。

通过考察基底膜不同位置对应的振型，表明本发明提出的参数化模型能基本满足这一预期要求。但是，根据耳蜗力学的研究结果来看，基底膜不同区段的刚度并不是线性变化的，而且不同方向的弹性模量也是不同的，因此，分析结果并不能完全反映实际耳蜗的力学响应特性，只能在趋势上大致符合耳蜗的力学特性。由于基底膜顶端的刚度非常小，并考虑到实际能量回收装置中的应用，本发明选择的基底膜材料属性为硅橡胶的材料属性，而且对顶端5段单元进行了厚度缩小10倍处理，目的是达到更低的起始固有频率。

这种基底膜弹性薄膜型仿生声学超材料的主要优点在于，能通过微小的结构，完整的覆盖整个可听频段的声波和机械波。通过巧妙的结构设计，完全有可能实现听觉范围内全频段的噪声衰减及调控。这种优异的声学性能是目前的任何声学材料都无法比拟的。

(三)耳蜗毛细胞仿生声学超材料设计方法

由于基底膜上分布着周期性的毛细胞，毛细胞上又分布有周期性的纤毛簇，通过纤毛簇与盖膜的动态接触产生压电换能作用，周期性外毛细胞及其上面的纤毛簇则构成了调制机械波的周期性结构，相当于是一种天然的声学超材料。这里类比周期性毛细胞结构，建立晶格的三维模型，施加周期性边界条件，然后借助有限元分析软件(如COMSOL)求解其振型和能带结构。按照以往文献给出的基底膜、支持细胞、毛细胞和纤毛等结构的参数和材料属性，建立了单个毛细胞及纤毛簇的简化晶格模型，模型结构如图3a所示。需要说明的是，由于纤毛的力学活动是成排活动的，因此将每排纤毛建立成实体模型，据以往的研究来看，这与实际纤毛的力学行为是相符的。

上述模型的求解中，先求解M点的前10阶固有频率，然后沿第一布里渊区路径M→Γ→X→M进行扫描，并得到能带结构。计算过程中考虑了x,y方向的周期性，即设定了Bloch周期边界条件。需要说明的是，在上述建模中存在一定的局限性。首先，指细胞和毛细胞都简化为了规则的圆柱型，而且没有将纤毛小根单独分离出来。其次，基底膜是螺旋状变宽度变厚度的，毛细胞在宽度方向周期性较少。因此，一方面，基底膜的材料属性和结构参数过于粗糙；另一方面，基底膜宽度方向的周期边界会带来一定的求解偏差。此外，由于纤毛即使在不与盖膜接触时，也是受到淋巴液作用的，而能带求解中这一点没有考虑。

由于毛细胞及纤毛这种周期性结构特征有望扩展声学超材料的理论体系，这里类比原有晶格结构，设计了一种毛细胞仿生声学超材料结构。由于毛细胞结构的特征频率较高，对原有结构进行了1000倍放大，并对基底膜和网板进行了局域化处理。通过对所设计的仿生声学超材料结构的计算和分析，通过其能带结构讨论了这种设计方法的可行性，并进一步分析了在实际低频减振降噪中应用的可能性。

对于本发明所建立的毛细胞周期结构，求解得到的能带结构如图4a所示。从图中可以看出，此结构中不存在完整带隙。当然，由于耳蜗中的结构是不需要有带隙存在的，因此，这种能带结构基本能反映实际耳蜗的工作情况。由于图中能带结构在布里渊区存在大量的部分平直带，这表明在这些频率附件的行波容易激起结构内部的局域共振模态。因此，通过适当的参数调整，有望在这些部分平直带处形成通带带隙。由于图4a中的能带结构中有较强的出现机械波带隙的潜力，本发明类比这种天然的结构特征，进行适当的参数调整，设计了出具有带隙特性的仿生声学超材料。从材料上看，生物材料与很多常规人工合成的工程材料参数相当，而且直接运用生物材料也是未来发展的一种趋势，因此从选材上已经解决了后顾之忧。从功能上看，考虑到实际应用中一般期望通过声学超材料实现可听频率内的减振降噪，特别是低频段(500Hz以下)。因此需要降低结构的固有频率，这可以通过对结构进行尺寸放大来实现，前面已经提到，这里将结构放大了1000倍，尺度为mm量级，这样就有望在宏观减振降噪措施中得到应用。

类比到实际局域共振声学超材料的设计中，为了使结构产生禁带，基底膜和网板部分可以进行局域化处理。因此，这里对每个网板和基底膜一侧增加了框架，来局域网板和基底膜的振动，制造出局域共振的效果。放大并增加了框架后的结构如图3b所示。通过计算发现，如果把网板的材料参数与基底膜设置为一个量级，毛细胞和指细胞和纤毛设置为一个量级，这样，就能调节出纵向的局域共振带隙，如图4b所示，在100Hz内的低频段存在约60Hz的禁带，最低可低至21Hz。如果进一步调整参数，还能获得更宽的带隙。

但是，由于本项发明重点是通过分析毛细胞及纤毛的振动特性，提出毛细胞复合结构仿生声学超材料的设计方法，并论证其可行性和一些可能的实现途径，因此不再进行结构能带的调整。事实上，上述内容已经说明了这种设计理念的可行性，达到了预期的研究目的。在实际应用中，可以通过对耳蜗结构更为深入的理解，来设计功能多元化的智能仿生声学超材料和声学器件。

根据上述数据可以看出，本发明达到的技术效果：

1、本发明提出了全新的声学超材料设计方法，即基于哺乳动物耳蜗结构和功能特征的仿生声学超材料设计方法；

2、本发明类比整体耳蜗结构可设计覆盖全部可听声阈内20-20000Hz的宽频机械波能量回收装置和具有精确选频能力的宽频声学功能器件；

3、本发明采用参数化的螺旋结构代替了实际耳蜗的不规则螺旋结构，便于结构参数调整和加工制造；

4、本发明类比实际耳蜗基底膜参数梯度变化的特征，能够实现实际基底膜的位置-频率对应特征；

5、本发明类比实际耳蜗周期性毛细胞结构特征，设计的复合型声学超材料，能够实现低达可听声频段下限的低频减振降噪，禁带最低可低至21Hz。

根据本发明耳蜗仿生声学超材料设计方法的上述特点，其可以设计宽频能量回收装置、具有精确选频能力的宽频声学功能器件、薄膜型功能梯度声学超材料、毛细胞型复合仿生声学超材料等，可广泛用于能量回收、传感器件设计和减振降噪中。