研究人員受昆蟲耳朵啟發(fā)3D打印超高效麥克風(fēng)

來源：IEEE電氣電子工程師學(xué)會(huì)

△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(fēng)的設(shè)計(jì)靈感，這種麥克風(fēng)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(dòng)，耳朵內(nèi)的感覺裝置將這些振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。

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(qiáng)，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(gè)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(fēng)陣列。的車載回旋鏢系統(tǒng)依賴于大約半米寬的麥克風(fēng)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(shí)別聲音來自哪個(gè)方向，并且只需要一個(gè)只有半毫米寬的鼓室就可以識(shí)別。

為了模擬昆蟲耳朵的功能，科學(xué)家們起初試圖用硅微機(jī)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(xué)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(shí)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(yàn)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(guó)聲學(xué)學(xué)會(huì)年會(huì)上詳細(xì)介紹了他的團(tuán)隊(duì)的研究（https://pubs.aip.org/asa/jasa/ar ... functional-polymers）。這項(xiàng)研究建立在該團(tuán)隊(duì)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(hào)，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(xué)家們使其更多孔，模仿昆蟲鼓室中有時(shí)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(xué)傳感器。它們的設(shè)計(jì)有助于以機(jī)械方式自動(dòng)過濾聲音，這意味著它們不需要相對(duì)龐大的數(shù)字聲音處理器的功率和計(jì)算需求。

Reid建議，受昆蟲啟發(fā)的麥克風(fēng)可能會(huì)匹配需要聲音傳感器來快速檢測(cè)特定信號(hào)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(jī)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(duì)人工耳蝸很有用。人工耳蝸目前需要數(shù)字信號(hào)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(hào)。所有這些步驟都會(huì)導(dǎo)致通過設(shè)備的聽力延遲。Reid說，如果植入物可以機(jī)械地進(jìn)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(xué)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(jìng)爭(zhēng)的模型。也不確定為什么孔隙率會(huì)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(bǔ)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(jī)的光學(xué)器件將合成膜特征的分辨率限制在大約200微米，并補(bǔ)充說，改進(jìn)光學(xué)器件可以使分辨率低于10μm。這可以進(jìn)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(shí)用傳感器設(shè)計(jì)的堅(jiān)實(shí)概念證明�！�