编辑丨王多鱼
排版丨水成文
从桥梁结构在特定频率风载下显著振动，到歌手飙出高音使玻璃杯微微震颤；从老式收音机调台时捕捉到清晰信号，到微波炉使食物中的水分子高效发热 ——这些现象背后都有一个共同的物理原理——共振。
当外界激励的频率与系统的固有频率匹配时，能量高效传递，振动幅度急剧放大。这一原理不仅广泛存在于声学、机械、电磁等工程领域，也为生物医学的创新提供了重要启示。
2025 年 9 月 24 日，浙江大学药学院、金华研究院和先进药物递释系统全国重点实验室顾臻教授、王金强研究员团队（魏鑫伟研究员为第一作者）在 Nature 子刊Nature Biomedical Engineering上发表了题为：An artificial cilia-based array system for sound frequency decoding and resonance-responsive drug release 的研究论文。
研究团队受耳蜗中毛细胞感知声波振动的启发，开发了一种仿生纤毛阵列，通过声学共振机制实现对钢琴音乐和语音等声音信号的可视化解析，并利用可听频率声波实现共振响应的药物递释。
声音在人类感知和交流中扮演着独特而重要的角色。当前的声音检测技术多依赖于声音采集设备、放大器和复杂算法协同作用。而在人类听觉系统中，感知声音的过程则更为精巧——耳蜗中的基底膜和毛细胞随着外部声波信号发生共振，毛细胞通过其高度特化的纤毛束的偏转，将声波振动转化为神经信号。这一过程中，毛细胞顶部的纤毛结构发挥了重要作用。
人类耳蜗中的毛细胞（Hair cell）含有长短不一的纤毛（cilia），这些纤毛能够感知各种声学信号。具体来说，耳蜗中的基底膜和毛细胞随着外部声波发生共振，毛细胞通过其高度特化的纤毛束的偏转，将声波振动转化为神经信号，从而感知到声音。
受此启发，研究团队基于声学共振原理，开发了一种基于人工纤毛的声音解码装置，其能够直接识别并响应声音频率，而无需依赖电力和算法。
研究团队利用三维建模和高精度 3D 打印技术，模拟了耳蜗种毛细胞的纤毛结构，设计并制备了微米级（40-200 微米）人工纤毛阵列，其具有不同的长度/直径比（30-100），能够感知并解码声音频率信号（100-6000 赫兹），基本涵盖了人类听觉主要范围。研究团队验证了这些人工纤毛阵列的声音频率识别能力，其能够解码来自扬声器播放的钢琴音乐《一闪一闪小星星》，以及更加复杂的人声信号。
研究团队进一步探索了这些人工纤毛阵列在液体环境中的共振特性，在压电换能器（PZT）特定频率的声学刺激下，相应的人工纤毛阵列振动，可显著加速周围液体流动，证实了人工纤毛的声学共振可有效促进模型药物的释放与扩散。
在此基础上，研究团队将人工纤毛阵列应用于糖尿病治疗——分别将胰岛素和胰高血糖素负载于不同长度/直径比的人工纤毛上，构建共振响应性药物递送器件，植入1型糖尿病模型小鼠皮下。通过施加不同频率的声学刺激，能够选择性触发胰岛素或胰高血糖素的释放，从而实现血糖水平的双向调控——频率 1 能够触发胰岛素释放，将高血糖恢复正常并维持稳定；频率 2 能够触发胰高血糖素释放，让低血糖小鼠血糖快速回升；而多次声学刺激还可使未禁食高血糖小鼠的血糖水平先下降后上升，展现出较好的程序控制能力。
受耳蜗毛细胞启发的仿生人工纤毛阵列
展望未来，人工纤毛阵列可以优化以覆盖更广泛的频率范围，并精确解码诸如声纹等复杂声学信号，从而促进个性化任务。这种人工纤毛阵列能够检测和识别各种人体生理声音，包括呼吸模式、打鼾、心跳和肠道活动等。在特定疾病或症状存在的情况下，人体的生理声音可能会发生可辨别的变化，这种人工纤毛阵列可能通过检测这些声音的变化来监测疾病甚至通过受控药物释放进行治疗。此外，这种人工纤毛阵列还可以作为微型声学工具，能够精确响应声音频率，并机械刺激神经元和肌肉细胞，有望用于调控神经转导、肌肉收缩以及心律和血管张力。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41551-025-01505-6
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