В последние годы инженеры разработали много систем, вдохновленных биологией человека и животных. Точно воспроизводя сложные биологические процессы, они смогут надежно и эффективно решать проблемы реального мира. Недавно инженеры разработали новый микроэлектромеханический датчик, вдохновленный улиткой, спиралевидной полостью во внутреннем ухе человека. Она производит нервные импульсы в ответ на звуковые колебания.

Искусственная улитка, представленная в журнале Nature Electronics, обрабатывает звуки и обнаруживает отдельные сигналы в шумной обстановке более эффективно, чем простые микрофоны.

«Идея исследования заключалась в том, чтобы создать искусственные волосковые клетки, подобные волосковым клеткам во внутреннем ухе, которые отвечают за обнаружение звука в человеческом ухе», — рассказала Tech Xplore Клаудия Ленк, ведущий автор статьи.

Человеческое ухо и уши других млекопитающих работают совсем иначе, чем обычные микрофоны. Они фиксируют все тона (т. е. частоты) звукового сигнала одновременно. Громкие тона иногда маскируют более тихие. Уши, с другой стороны, содержат различные волосковые клетки, которые отвечают за обнаружение различных тонов (т. е. звуковых сигналов в разных частотных диапазонах).

Новая микроэлектромеханическая улитка (МЭМС) состоит из двух ключевых компонентов. Первый включает серию небольших кремниевых кантилеверов, предназначенных для работы в качестве искусственных волосковых клеток. Они обнаруживают звуковые сигналы из окружающей среды. Второй — это петля обратной связи, которая индивидуально настраивает свойства обнаружения каждого кантилевера.

Кантилеверы колеблются при воздействии звука, и это колебание измеряется встроенной системой считывания в виде электронного сигнала. Каждый кантилевер также содержит привод. Если подавать напряжение на привод, он заставляет кантилевер изгибаться или колебаться в зависимости от приложенного сигнала.

Оценка биоинспирированного (умного) датчика по сравнению со стандартным микрофоном. / Предоставлено: Технический университет Ильменау/Майкл Райхель

Сигнал обратной связи, создаваемый петлей обратной связи искусственной улитки меняет способ обнаружения звука отдельным кантилевером, например, модулируя его усиление, чувствительность и ширину полосы. Работу кантилевера можно настроить так, чтобы оно было нелинейным. Это значит, оно будет меняться в зависимости от амплитуды улавливаемых звуков — более тихие звуки можно усилить, а более громкие — заглушить.