小而准：小蜡蛾启发定向麦克风？
2022/10/28 8:30:00 我是科学家iScientist

     听觉对生物至关重要，可以帮助我们感知环境变化、规避风险。昆虫也具有听觉感受器，主要分为听觉毛(auditory hair)、江氏器(Hohnston’s organ)和鼓膜听器(tympanal organ)三种[1]。作为鳞翅目的一员，小蜡蛾(Achroia grisella)腹部第一节两侧各有一个鼓膜听器，基本结构包含略凹入周围体壁的圆形和鼓膜(tympanum)[2]。通过微小的听器，小蜡蛾能对声源进行定向。

     “定向听力对生物来说很关键，我们需要听到声音，也需要知道它们源自何处。”斯特拉斯克莱德大学(University of Strathclyde)电子和电气工程系(electronic and electrical engineering)的三年级博士生Lara Díaz-García介绍道，“例如，我们想找到正在求偶的潜在伴侣，或者想追踪猎物。”

     研究人员不仅热衷于从生物学角度了解定向听力，还热衷于创造仿生产品，例如麦克风和助听器，帮助确定声音的方向。Díaz-García的博士论文旨在解开小蜡蛾听觉系统的奥秘。“如果在未来的某一天，有关飞蛾听觉的研究能启发某种助听器，那就太好了。”Lara Díaz-García表示。

    

     会议摘要截图 | 参考文献[3]

     大型动物的双耳距离较远，可以让它们区分声音到达一只耳朵的时间与到达另一只耳朵的时间差。随后，它们的大脑能够使用这些信息来估计声音的来源。而昆虫等小型动物的听觉器官间距很近，这让它们必须用其他方式来进行声音定向。

     Díaz-García指出，尽管小蜡蛾腹部的两个听器仅相距600微米，但有关它对声音定向的研究可不少。

     “我们发现，当一只雌性小蜡蛾的鼓膜被刺穿，它仍能追踪到交配的声音。于是我们假设‘耳朵’这一形态能赋予它定向听力。”Díaz-García说。作为她博士学位论文的一部分，Díaz-García试图检验这一假设。她使用仿真装置(simulations)来模拟小蜡蛾听器的结构，从一个简化模型开始，一点点添加细节。

     “我们的第一个模型是一个简单的圆形板，它与听器相去甚远，没有任何定向性(directionality)。接着，我们添加细节，使得模型最后成为椭圆板，有两个厚度不同的部分，并增加了质量，以模拟神经元连接。”她解释道。

    

     模拟小蜡蛾听器的3D打印样品 | 参考文献[4]

     研究小组随后3D打印了仿生的听器模型并进行了测试，结果发表在《IEEE传感器杂志》(IEEE Sensors Journal)上。他们发现，在附着有神经元的听器部分，来自听器前的声音比来自听器后的声音更强烈。事实上，听器的结构似乎可以帮助动物确定声音的方向性，这为新的仿生技术打开了大门。

    

     该团队近期研究结果 | 参考文献[5]

     Díaz-García表示：“这项研究的主要优势在于，仅通过一个特定元素即可实现声音定向，而目前大多数声学传感器都需要比较至少两个麦克风的响应才行。”

    

     COMSOL模拟显示了外壳的共振模式与飞蛾鼓膜的运动类似 | 参考文献[4]

     Díaz-García 指出：“定向麦克风在智能手机中非常有用，能帮助智能手机收音时消除环境噪音，只专注于扬声器附近的声音，也适用于助听器。希望将来有一天能看到这只小飞蛾的‘耳朵’能够衍生出某种助听器。”

     参考文献

     [1]彩万志, 庞雄飞, 花保祯, 梁广文, 宋敦伦编著 (2001). 普通昆虫学. 中国农业大学出版. 174-175.

     [2] Rodríguez, R. L., Schul, J., Cocroft, R. B., & Greenfield, M. D. (2005). The contribution of tympanic transmission to fine temporal signal evaluation in an ultrasonic moth. Journal of Experimental Biology, 208(21), 4159-4165.

     [3]Díaz-García, L., Reid, A., Jackson, J., & Windmill, J. (2021). Achroia grisella’s ear as inspiration for acoustic sensing. The Journal of the Acoustical Society of America, 150(4), A324-A324.

     [4]https://spectrum.ieee.org/biomemetics-moth-ear-microphone

     [5]Díaz-García, L., Reid, A., Jackson-Camargo, J., & Windmill, J. F. (2022). Towards a bio-inspired acoustic sensor: Achroia grisella’s ear. IEEE Sensors Journal.

     编译：鳕鱼编辑：靳小明排版：尹宁流题图来源：Pixabay

     研究团队

     第一作者Lara Díaz-García：英国斯克莱德大学超声工程中心(Centre for Ultrasonic Engineering, University of Strathclyde, Glasgow, United Kingdom)

     论文信息

     发布期刊 《IEEE传感器杂志》(IEEE Sensors Journal)

     发布时间 2022年8月17日

     论文标题Towards a bio-inspired acoustic sensor: Achroia grisella’s ear

     (DOI：https://doi.org/10.1109/JSEN.2022.3197841)

     文章领域仿生学、声信号处理、3D打印

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