研究人员受昆虫耳朵启发3D打印超高效麦克风

SAREFO/WIKIMEDIA

研究人员表示，昆虫的耳朵激发了研究人员打造微型3D打印麦克风的设计灵感，这种麦克风可以精确定位声音的方向，取代目前用于这种目的所需的体积更大、能量更大的设备。

昆虫的耳朵有一层被称为鼓室的薄组织，很像人类的鼓膜。声波使这种膜振动，耳朵内的感觉装置将这些振动转化为神经信号。

尽管昆虫的鼓室通常只有一毫米左右宽，但昆虫的听觉能力很强，而目前人类所打造的设则尺寸大得多。例如，为了确定枪声来自哪个方向，Raytheon公司的车载回旋镖系统依赖于大约半米宽的麦克风阵列。的车载回旋镖系统依赖于大约半米宽的麦克风阵列。相比之下，夜行蛾灰纹夜蛾（Achroia grisella，https://ieeexplore.ieee.org/document/9858635）也可以识别声音来自哪个方向，并且只需要一个只有半毫米宽的鼓室就可以识别。

为了模拟昆虫耳朵的功能，科学家们起初试图用硅微机电系统（MEMS）复制昆虫的结构。然而，格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的电气工程师Andrew Reid说，由此产生的设备缺乏灵活性，也缺乏在真实昆虫耳朵中看到的微观3D结构变化，这有助于它们听得很好。

现在，Reid和他的同事们正在试验3D打印，以更完整地复制昆虫的耳朵。他在5月10日于芝加哥举行的美国声学学会年会上详细介绍了他的团队的研究（https://pubs.aip.org/asa/jasa/article/153/3_supplement/A195/2885811/Unnatural-hearing-3D-printing-functional-polymers）。这项研究建立在该团队早期工作的基础上，以了解昆虫是如何具有如此恒星定向听觉的。

研究人员已经3D打印了各种膜来复制一系列昆虫鼓室。这些膜的基材通常是柔性水凝胶，例如聚乙二醇二丙烯酸酯。Reid说，这些膜通常还包括压电材料，如被称为PMN-PT的钙钛矿氧化物晶体，它可以将声能转换为电信号，以及导电的银基化合物。

为了提高这些合成膜的压电性能，科学家们使其更多孔，模仿昆虫鼓室中有时出现的孔隙率。它们将甲醇溶解到3D打印树脂中，随着树脂固化，它不再可溶于甲醇。这导致甲醇在树脂内分离并形成液滴，形成孔隙的基础。

合成膜的厚度、孔隙率、密度和柔韧性的微观3D变化有助于它们表现得像高灵敏度和高效的声学传感器。它们的设计有助于以机械方式自动过滤声音，这意味着它们不需要相对庞大的数字声音处理器的功率和计算需求。

Reid建议，受昆虫启发的麦克风可能会匹配需要声音传感器来快速检测特定信号而不消耗大量能量的应用。这样的设备在数据或硬件方面的需求也非常小。

此外，Reid说，一种机械方法可以精确地分离不同频率的声音，例如沙漠蝗虫Schistocerca gregria的耳朵，这将被证明对人工耳蜗很有用。人工耳蜗目前需要数字信号处理，包括接收声音，将其从模拟转换为数字，并在刺激听觉神经之前处理数字信号。所有这些步骤都会导致通过设备的听力延迟。Reid说，如果植入物可以机械地进行这种频率分离，“这将能够大大减少延迟。”

关于昆虫鼓室的微观结构变化如何帮助它们尽可能好地听到声音，科学家们仍然有很多不知道的地方。Reid说，关于这些变化如何改善听力，存在着相互竞争的模型。也不确定为什么孔隙率会提高膜的压电性能。Reid说，孔隙将膜的其余材料集中在一起的方式可能有助于将声能引导到压电纳米颗粒。他补充道，气孔还可以使膜更灵活，更能接受声波。

Reid表示，目前可用的3D打印机的光学器件将合成膜特征的分辨率限制在大约200微米，并补充说，改进光学器件可以使分辨率低于10µm。这可以进一步提高这些设备的性能。

Reid说：“到目前为止，我们所做的工作仍然缺乏实用传感器设计的坚实概念证明。”