Уши насекомых вдохновили ученых на создание сверхэффективных микрофонов

Исследователи говорят, что уши насекомых вдохновляют на разработку крошечных 3D-печатных микрофонов, которые могут точно определять направление звука, заменяя гораздо более громоздкие и энергоемкие устройства, необходимые в настоящее время для таких целей.


Например, ночная бабочка Achroia grisella также может определять, откуда исходят звуки, и может делать это с помощью всего лишь одной барабанной перепонки шириной всего около полумиллиметра. (Мотылек, вероятно, развил этот навык как для обнаружения хищных летучих мышей, так и для ультразвуковых сигналов спаривания.)


— Эндрю Рейд, инженер-электрик из Университета Стратклайда в Глазго.

Теперь Рид и его коллеги экспериментируют с 3D-печатью, чтобы более точно копировать уши насекомых. Он подробно рассказал об исследованиях своей группы на ежегодном собрании Американского акустического общества 10 мая в Чикаго. Исследование основано на более ранней работе команды, чтобы понять, как насекомые обладают таким звездным направленным слухом.

Исследователи говорят, что уши насекомых вдохновляют на разработку крошечных 3D-печатных микрофонов, которые могут точно определять направление звука, заменяя гораздо более громоздкие и энергоемкие устройства, необходимые в настоящее время для таких целей.

Ухо насекомого имеет тонкий слой ткани, известный как барабанная перепонка, который очень похож на барабанную перепонку человека. Звуковые волны заставляют эту мембрану вибрировать, а сенсорный аппарат внутри уха преобразует эти вибрации в нервные сигналы.

Хотя ширина барабанной перепонки насекомого обычно составляет миллиметр или около того, насекомые способны к подвигам слуха, для чего в настоящее время требуются устройства гораздо большего размера. Например, чтобы точно определить направление выстрела, автомобильная система Boomerang от Raytheon использует массив микрофонов шириной примерно полметра. Для сравнения, ночная бабочка Achroia grisella также может определять, откуда исходят звуки, и может делать это только с одной барабанной перепонкой шириной всего около полмиллиметра. (Мотылек, вероятно, развил этот навык как для обнаружения хищных летучих мышей, так и для ультразвуковых сигналов спаривания.)


— Эндрю Рейд.

Теперь Рид и его коллеги экспериментируют с 3D-печатью, чтобы еще более точно копировать уши насекомых. Он подробно рассказал об исследованиях своей группы на ежегодном собрании Американского акустического общества 10 мая в Чикаго. Исследование основано на более ранней работе команды, чтобы понять, как насекомые так точно вычисляют местоположение радиосигнала.

Исследователи напечатали на 3D-принтере различные мембраны, чтобы скопировать ряд барабанных перепонок насекомых. Основным материалом для этих мембран обычно является гибкий гидрогель, такой как диакрилат полиэтиленгликоля. Мембраны также часто включают пьезоэлектрический материал, такой как кристалл оксида перовскита, известный как PMN-PT, который может преобразовывать акустическую энергию в электрические сигналы, и электропроводящие соединения на основе серебра, говорит Рейд.

Чтобы улучшить пьезоэлектрические характеристики синтетических мембран, ученые сделали их более пористыми, имитируя пористость, иногда наблюдаемую в барабанной перепонке насекомых. Исследователи растворили метанол в смоле для 3D-печати, и когда смола затвердевает, она больше не растворяется в метаноле. Это приводит к тому, что метанол отделяется и образует капли внутри смолы, которые формируют основу пор.

Микроскопические трехмерные вариации толщины, пористости, плотности и гибкости синтетических мембран помогают им вести себя как высокочувствительные и эффективные акустические датчики. Такая конструкция помогает им автоматически фильтровать звук механическим способом, что означает, что они не требуют мощности и вычислительных потребностей относительно громоздких цифровых звуковых процессоров.


Рейд предполагает, что микрофоны, вдохновленные насекомыми, могут найти применение там, где требуется звуковой датчик для быстрого обнаружения определенных сигналов без потребления большого количества энергии. Такие устройства также потребуют очень мало дополнительных вводных данных или оборудования.

Более того, механический способ разделения различных звуковых частот с точностью, например, уха пустынной саранчи Schistocerca gregaria может оказаться полезным для кохлеарных имплантов. Кохлеарные имплантаты в настоящее время требуют цифровой обработки сигнала, которая включает получение звука, преобразование его из аналогового в цифровой и обработку цифрового сигнала перед стимуляцией слухового нерва. Все эти шаги приводят к задержке слуха при прохождении через устройство. Если вместо этого имплантат может выполнять это разделение частот механически, это может значительно сократить задержку.

Ученые еще многого не знают о том, как микроскопические структурные вариации барабанной перепонки насекомых помогают им слышать так хорошо, как они могут. По словам Рида, существуют конкурирующие модели того, как каждый из предполагаемых механизмов улучшает слух.

Также неясно, почему именно пористость улучшает пьезоэлектрические характеристики мембран. По словам Рейда, то, как поры концентрируют остальную часть материала мембраны, может помочь направить акустическую энергию на пьезоэлектрические наночастицы. Поры также могут сделать мембраны более гибкими и восприимчивыми к звуковым волнам, добавляет он.

Оптика доступных в настоящее время 3D-принтеров ограничивает разрешение элементов синтетических мембран примерно до 200 микрометров. Исследователи считают, что улучшение оптики может привести к разрешению менее 10 мкм. Это может еще больше повысить производительность разработанных устройств.


— Эндрю Рейд.