研究者らが昆虫の耳にヒントを得て超高効率マイクを3Dプリント

出典: IEEE 電気電子技術者協会

△サレフォ/ウィキメディア
研究者らは、昆虫の耳にヒントを得て、音の方向を正確に特定できる小型の3Dプリントマイクを設計した。このマイクは、現在その目的に必要とされる、より大型で強力な装置に代わるものとなると述べている。

昆虫の耳には、人間の鼓膜とよく似た、鼓膜と呼ばれる薄い組織層があります。音波はこの膜を振動させ、耳の中の感覚装置がこの振動を神経信号に変換します。

昆虫の鼓膜は典型的には幅が1ミリメートル程度しかないにもかかわらず、非常に優れた聴覚能力を持っています。一方、現在人間が作っている装置はそれよりはるかに大きいです。たとえば、銃声がどの方向から来ているかを判断するために、レイセオン社の車載型ブーメランシステムは、幅約 50 センチのマイクロフォンアレイを利用しています。車載型ブーメランシステムは、幅約50センチのマイクロフォンアレイを採用しています。対照的に、夜行性の蛾である Achroia grisella (https://ieeexplore.ieee.org/document/9858635) も、音がどの方向から来ているかを識別することができ、幅がわずか 0.5 ミリメートルの鼓膜でそれを行います。

昆虫の耳の機能を模倣するために、科学者たちは当初、シリコンの微小電気機械システム (MEMS) を使用して昆虫の構造を再現しようと試みました。しかし、グラスゴーのストラスクライド大学の電気技師アンドリュー・リード氏は、完成した装置には柔軟性が欠けており、実際の昆虫の耳に見られる、優れた聴力を実現する微細な3D構造の変化も欠けていると言う。

現在、リード氏とその同僚は、昆虫の耳をより完全に再現するために3Dプリントの実験を行っている。彼は5月10日にシカゴで開催されたアメリカ音響学会の年次総会でチームの研究の詳細を発表した（https://pubs.aip.org/asa/jasa/ar ... functional-polymers）。この研究は、昆虫がどのようにしてこれほど優れた方向聴覚を持っているのかを理解するための研究チームの以前の研究を基にしたものである。

研究者たちは、さまざまな昆虫の鼓膜を再現するために、さまざまな膜を3Dプリントした。これらのフィルムの基材は通常、ポリエチレングリコールジアクリレートなどの柔軟なハイドロゲルです。リード氏によると、膜には通常、音響エネルギーを電気信号に変換できるPMN-PTとして知られるペロブスカイト酸化物結晶などの圧電材料や、電気を伝導する銀ベースの化合物も含まれているという。

これらの合成膜の圧電特性を改善するために、科学者たちは、昆虫の鼓膜に時々見られる多孔性を模倣して、膜の多孔性を高めた。彼らはメタノールを3Dプリント樹脂に溶かしましたが、樹脂が固まるとメタノールに溶けなくなりました。これにより、メタノールが樹脂内で分離して液滴を形成し、それが細孔の基礎を形成します。

合成膜の厚さ、多孔性、密度、柔軟性の微細な 3D 変化により、合成膜は高感度で効率的な音響センサーのように動作します。これらの設計は、サウンドを自動的かつ機械的にフィルタリングするのに役立つため、比較的かさばるデジタルサウンドプロセッサのようなパワーやコンピューティング要件を必要としません。

リード氏は、昆虫からヒントを得たマイクは、大量のエネルギーを消費せずに特定の信号を素早く検出する音響センサーを必要とするアプリケーションに適しているかもしれないと示唆した。このようなデバイスでは、データやハードウェアに関する要件も非常に小さくなります。

さらに、サバクトビバッタの耳のように、異なる周波数の音を正確に分離できる機械的な方法が人工内耳に有効であることが証明されるだろうとリード氏は述べた。現在、人工内耳にはデジタル信号処理が必要であり、音を受信し、それをアナログからデジタルに変換し、聴神経を刺激する前にデジタル信号を処理することが含まれます。これらすべての手順により、デバイスを介した聴覚に遅延が生じます。インプラントがこの周波数分離を機械的に行うことができれば、「遅延を大幅に削減できるだろう」とリード氏は言う。

昆虫の鼓膜の微細な構造変化がどのようにして昆虫の聴覚を最大限に高めるのに役立つかについては、科学者がまだ知らないことがたくさんある。こうした変化が聴力をどのように改善するかについては、競合するモデルがいくつかあるとリード氏は述べた。また、多孔性が膜の圧電特性を高める理由も不明です。リード氏は、孔が膜の残りの材料を保持する方法が、音響エネルギーを圧電ナノ粒子に導くのに役立つ可能性があると述べた。また、この細孔によって膜の柔軟性が高まり、音波に対する受容性も高まる可能性があると彼は付け加えた。

リード氏は、現在市販されている3Dプリンターの光学系では合成フィルムの特徴の解像度が約200ミクロンに制限されているが、光学系を改善すれば10μm未満の解像度も可能になると付け加えた。これにより、これらのデバイスのパフォーマンスがさらに向上する可能性があります。

「これまでのところ、実用的なセンサー設計の概念実証はまだ不十分だ」とリード氏は語った。

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