物理科学

从耳朵到工程

有时候,工程问题的答案已经被动物回答了!因此,斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)的詹姆斯·温德米尔(James Windmill)教授和他的实验室团队选择从自然界中发现的一些非凡的工程壮举中学习,而不是“重新发明轮子”。特别是,他的研究重点是利用昆虫听觉的想法开发新的麦克风和传感器,用于医学和材料科学等领域。

现代的麦克风,如用于助听器的麦克风,和传感器,如超声波扫描仪,都非常敏感。然而,他们仍然在努力处理背景噪声等问题,这些问题可能需要通过下游数字处理来消除,或者识别声音产生的方向。电子工程师温德米尔教授的跨学科团队为这些问题提供解决方案,他们的灵感来自自然世界,尤其是昆虫。

鼓舞人心的昆虫
科学上已知的昆虫种类大约有100万种,昆虫是一组极其多样化的生物,它们进化出了一系列不同的听觉器官。此前对昆虫听力的研究主要集中在噪音最大的群体上:蚱蜢、蟋蟀、蝗虫和蝉;然而,温德米尔教授的研究涵盖了包括苍蝇和飞蛾在内的广泛其他昆虫。在他们的工作过程中,温德米尔教授和同事们发现了一些非凡的昆虫,包括一种飞蛾,更大的蜡蛾,它能听到高达300千赫兹的声音,比任何其他动物都要高;叫声频率最高的昆虫——蝈蝈属,来自南美雨林,被称为“Supersonus”;还有地球上声音最大的动物——划蝽,它通过用阴茎摩擦腹部发出求偶的叫声。

MEMS定向麦克风在3d打印的外壳(英国五便士硬币的规模)。

为了阐明昆虫的听证机制,Windmill的实验室专用技术使用了一系列技术,包括行为观察,显微镜和X射线显微镜,3D激光振动器和通过听觉神经的信号的电气检查。结果转换成耳朵结构的三维计算机模型,然后可以使用它来模拟它如何响应声音。将其与计算机模型的实验数据进行比较,使研究人员能够彻底了解有机体的听力如何工作 - 无论是在神经层面的机制和下游信号处理方面。

接力棒传递给工程师,物理学家,数学家和材料科学家的团队开发新的麦克风(仪器感应声波和超声波)和传感器(工具,可以生成和感觉的声音,如用于医院超声波扫描仪)基于这些发现。

将他们的实验数据与计算机模型进行比较,使研究人员对这种生物的听觉是如何工作的有了全面的了解

通过声音导航
虽然较大的动物可以通过在每个两只耳朵中接收到声波的时序和幅度的差异来检测声源的方向,但对于诸如昆虫的较小的动物,它们的两个听力器官之间的距离可能太小上班。因此,较小的生物体已经提出了各种创新技术,现在正在推动工程师的兴趣。

Ormia Ochracea是一种微小的夜间飞,将其鸡蛋放在蟋蟀上。因此,它需要在黑暗中找到其板球主机,它由男性板球交配呼叫的声音。由于中间九十年代以来,已知ormia的两个鼓膜(耳鼓)位于其前腿的底部,通过支柱直接彼此连接。实际上,该结构形成了一个微小的高度敏感的跷跷板,如果达到两个鼓膜的声波以任何方式不同于强度或定时的声波。这种巧妙的系统放大了到达两个膜的声音的微小差异,使昆虫能够检测声音来自的方向。

在Windmill教授的实验室里,他们对Ormia系统的三维计算机模型和模拟已经被用来开发用于助听器的微型声传感器。直到最近,传感器都是用标准的微电子机械系统(MEMS,或“微型机器”)技术从硅材料中制造出来的,但现在该团队正转向3d打印领域。这使他们能够更容易地设计复杂的三维结构,并使用更灵活的材料,更接近地模拟生物结构的力学性能。

助听器可以专注于人类语言的频率范围,淡化来自其他来源的“噪音”

最近,风车教授与同事参观大学的弗朗索瓦•德•拉伯雷,法国,已经发现了一个小蛾,Achroia grisella,小蜡螟,这是能够确定声音的方向只有一个耳朵,它有一个最大响应声音从一个特定角度出现。然后这些飞蛾利用自己的行为——用头部扫描寻找声音的来源,然后在移动时保持自己与声音之间的相同角度——来找到它们唱歌的伴侣进行交配。

屏蔽噪音
事实上,在蝴蝶和飞蛾(鳞翅目)中发现的“声学”昆虫数量最多。大约55%的鳞翅目昆虫有鼓室耳朵,许多鳞翅目昆虫利用超声波进行交配。为了能够捕捉到自己物种的求偶声音,这些飞蛾能够在身体上调整鼓膜的反应,以专注于特定频率的声音。

多频硅压电MEMS定向麦克风灵感来自Ormia Ochracea。

在许多情况下,这种特性可能会很有用:例如,助听器可以专注于人类语言的频率范围,并淡化来自其他来源的“噪音”。像鳞翅目动物一样,我们自己的耳朵,以及许多动物的耳朵,都是通过反馈系统自动做到这一点的——听到的声音的性质改变了耳朵的反应。然而,到目前为止,工程麦克风依赖于所有接收到的声音信号的下游数字处理,这可能会导致时间延迟,并消耗能量,增加麦克风系统的总尺寸。

现在,温德米尔教授的团队,在研究了大型黄色翼下(Noctua pronuba)的听觉系统后,开发了一种MEMS麦克风,可以根据所接收的声音调整其对不同频率的灵敏度。对于那些使用助听器或人工耳蜗的人来说,这可能是一个特别好的消息。多亏了温德米尔教授的多学科团队,以及基础生物学和应用工程学的结合,昆虫世界令人惊叹的适应可能会出现在你身边的一个麦克风里。

常见问题

你最初是如何意识到生物系统在解决工程问题方面的潜力的?
我的背景是电子工程,它导致了涉及在纳米级感测的博士学位。我想在我的博士后做一些不同的事情,这让我致力于昆虫听力系统作为博士后研究人员。这让我有机会发现昆虫世界中有多少不同的听力系统。我回到工程部门作为一个学术界,但我想继续生物学研究,并发展我的工程工作。所以要做的自然事就是把这两个人聚集在一起。

你用什么技术来研究这种微小的生物?
我们使用了各种显微镜技术来研究它们的形态,包括光学和扫描电子显微镜,以及最近的x射线三维微断层摄影术。我们使用电生理学技术来测量听觉神经信号,并与同事一起研究一些昆虫的行为。我们使用3D微扫描激光多普勒振动计来测量物体的运动,也就是说,昆虫的耳膜是如何对声音做出反应的。我们需要振动计,因为昆虫的听觉系统通常只移动很小的量,通常是纳米或更少。最后,我们使用强大的计算机建模将这些联系在一起,探索和解释这些听觉系统是如何工作的。

到目前为止,您最喜欢或最令人兴奋的生物发现是什么?
我最喜欢的是在蝗虫的鼓膜(耳膜)上发现行波。这是我的第一个发现,也促成了我的第一篇生物科学论文。声波出现在鼓膜的一侧,然后它们的方向和停止移动的点会根据声音的频率而变化。这使得蝗虫能够区分不同的频率,这与人类内耳基底膜的工作原理非常相似。但蝗虫是在耳膜上做的。这让我意识到,可能有很多有趣的昆虫听觉系统现象,我们可以用来启发工程。

你认为3D打印的出现会对这类研究产生什么影响?
对研究人员来说,主要的影响是速度。一种设备可以通过电脑设计、3D打印,然后在数小时或至多几天内进行测试和识别。使用标准的硅微加工技术,尤其是小型实验室和机构,可以将这个过程延长到几个月。因此,3D打印在同一时间内为研究团队提供了许多迭代,而标准微系统制造只提供了一个。但也有一些需要注意的地方。3D打印有很多挑战,因为有很多事情很难用这项技术来做。而且,标准微系统制造很容易扩大规模,生产数百万个相同的单元,而通常3D打印不是这样。

在这样一个跨学科的团队中工作有什么好处和挑战?
主要的好处是,研究人员不仅带来了不同的技能和专业知识,而且已经被训练去思考和使用不同的科学方法。例如,生物学家可能想要探索自然界已经存在的东西,而工程师则习惯于创造一些东西来解决问题。再加上物理学家、数学家和材料科学家,这种混合可以产生非常有趣的想法。当然,这可能非常具有挑战性,因为你必须确保每个人都对其他人在做什么、为什么做以及如何做有一定的了解。但这种经历是非常积极的,因为研究人员可以在自己的工作中使用他们从别人那里学到的东西。

本文是在研究团队的批准下创建的。这是一个合作制作,由那些特色的支持,免费援助,全球分发。

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