研究人員受昆蟲耳朵啟發(fā)3D打印超高效麥克風

來源：IEEE電氣電子工程師學會

△SAREFO/WIKIMEDIA

研究人員表示，昆蟲的耳朵激發(fā)了研究人員打造微型3D打印麥克風的設(shè)計靈感，這種麥克風可以精確定位聲音的方向，取代目前用于這種目的所需的體積更大、能量更大的設(shè)備。

昆蟲的耳朵有一層被稱為鼓室的薄組織，很像人類的鼓膜。聲波使這種膜振動，耳朵內(nèi)的感覺裝置將這些振動轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號。

盡管昆蟲的鼓室通常只有一毫米左右寬，但昆蟲的聽覺能力很強，而目前人類所打造的設(shè)則尺寸大得多。例如，為了確定槍聲來自哪個方向，Raytheon公司的車載回旋鏢系統(tǒng)依賴于大約半米寬的麥克風陣列。的車載回旋鏢系統(tǒng)依賴于大約半米寬的麥克風陣列。相比之下，夜行蛾灰紋夜蛾（Achroia grisella，https://ieeexplore.ieee.org/document/9858635）也可以識別聲音來自哪個方向，并且只需要一個只有半毫米寬的鼓室就可以識別。

為了模擬昆蟲耳朵的功能，科學家們起初試圖用硅微機電系統(tǒng)（MEMS）復(fù)制昆蟲的結(jié)構(gòu)。然而，格拉斯哥斯特拉斯克萊德大學的電氣工程師Andrew Reid說，由此產(chǎn)生的設(shè)備缺乏靈活性，也缺乏在真實昆蟲耳朵中看到的微觀3D結(jié)構(gòu)變化，這有助于它們聽得很好。

現(xiàn)在，Reid和他的同事們正在試驗3D打印，以更完整地復(fù)制昆蟲的耳朵。他在5月10日于芝加哥舉行的美國聲學學會年會上詳細介紹了他的團隊的研究（https://pubs.aip.org/asa/jasa/ar ... functional-polymers）。這項研究建立在該團隊早期工作的基礎(chǔ)上，以了解昆蟲是如何具有如此恒星定向聽覺的。

研究人員已經(jīng)3D打印了各種膜來復(fù)制一系列昆蟲鼓室。這些膜的基材通常是柔性水凝膠，例如聚乙二醇二丙烯酸酯。Reid說，這些膜通常還包括壓電材料，如被稱為PMN-PT的鈣鈦礦氧化物晶體，它可以將聲能轉(zhuǎn)換為電信號，以及導(dǎo)電的銀基化合物。

為了提高這些合成膜的壓電性能，科學家們使其更多孔，模仿昆蟲鼓室中有時出現(xiàn)的孔隙率。它們將甲醇溶解到3D打印樹脂中，隨著樹脂固化，它不再可溶于甲醇。這導(dǎo)致甲醇在樹脂內(nèi)分離并形成液滴，形成孔隙的基礎(chǔ)。

合成膜的厚度、孔隙率、密度和柔韌性的微觀3D變化有助于它們表現(xiàn)得像高靈敏度和高效的聲學傳感器。它們的設(shè)計有助于以機械方式自動過濾聲音，這意味著它們不需要相對龐大的數(shù)字聲音處理器的功率和計算需求。

Reid建議，受昆蟲啟發(fā)的麥克風可能會匹配需要聲音傳感器來快速檢測特定信號而不消耗大量能量的應(yīng)用。這樣的設(shè)備在數(shù)據(jù)或硬件方面的需求也非常小。

此外，Reid說，一種機械方法可以精確地分離不同頻率的聲音，例如沙漠蝗蟲Schistocerca gregria的耳朵，這將被證明對人工耳蝸很有用。人工耳蝸目前需要數(shù)字信號處理，包括接收聲音，將其從模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并在刺激聽覺神經(jīng)之前處理數(shù)字信號。所有這些步驟都會導(dǎo)致通過設(shè)備的聽力延遲。Reid說，如果植入物可以機械地進行這種頻率分離，“這將能夠大大減少延遲。”

關(guān)于昆蟲鼓室的微觀結(jié)構(gòu)變化如何幫助它們盡可能好地聽到聲音，科學家們?nèi)匀挥泻芏嗖恢�道的地方。Reid說，關(guān)于這些變化如何改善聽力，存在著相互競爭的模型。也不確定為什么孔隙率會提高膜的壓電性能。Reid說，孔隙將膜的其余材料集中在一起的方式可能有助于將聲能引導(dǎo)到壓電納米顆粒。他補充道，氣孔還可以使膜更靈活，更能接受聲波。

Reid表示，目前可用的3D打印機的光學器件將合成膜特征的分辨率限制在大約200微米，并補充說，改進光學器件可以使分辨率低于10μm。這可以進一步提高這些設(shè)備的性能。

Reid說：“到目前為止，我們所做的工作仍然缺乏實用傳感器設(shè)計的堅實概念證明�！�