从耳朵到工程
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。
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。
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?
你用什么技术来研究这种微小的生物?
到目前为止,您最喜欢或最令人兴奋的生物发现是什么?
你认为3D打印的出现会对这类研究产生什么影响?
在这样一个跨学科的团队中工作有什么好处和挑战?