模仿蒼蠅聽覺系統(tǒng)的智能免電池助聽器

美國德州大學(xué)(UT)奧斯汀分校庫克瑞爾工程學(xué)院(Cockerell School of Engineering)的研究人員們利用一種黃色的寄生型蒼蠅(Ormia ochracea)所具有的特殊聽覺結(jié)構(gòu)，開發(fā)出一種全新的助聽器，它能夠只強(qiáng)調(diào)配戴者想聽到的聲音。

這種寄生蠅擁有獨(dú)特的聲音處理機(jī)制能夠在2度范圍內(nèi)確定聲音的方向，因而準(zhǔn)確地定位出一只鳴叫中的蟋蟀位置。

由于聲音的速度限制以及人類兩耳之間存在距離，一般來說，人類和其他哺乳動物能夠定位出聲音的來源，主導(dǎo)這項(xiàng)研究的Cockerell工程學(xué)院電子與計(jì)算機(jī)工程系副教授Neal Hall表示。

“當(dāng)人們依據(jù)聲音尋找某一事件時(shí)，利用的就是聲音的有限速度，”他解釋說，“聲音只是以有限速度在空氣中移動的壓力波。當(dāng)你走在街道上時(shí)，如果附近的汽車傳出喇叭聲，你就會知道該朝哪個(gè)方向轉(zhuǎn)過去，因?yàn)槁曇舻竭_(dá)你其中一只耳朵的速度比到達(dá)另一只耳朵的速度更快一些。在潛意識中，你的大腦利用這些數(shù)據(jù)來辨識聲音來源的方向。”

圖中顯示研究人員們經(jīng)由這種寄生蠅的聲音處理機(jī)制啟發(fā)，開發(fā)出一款低功耗的麥克風(fēng)組件。

德州大學(xué)奧斯汀分校Cockerell工程學(xué)院的研究人員們開發(fā)出這種能夠用來開發(fā)免電池助聽器的微型組件。這種新式助聽器能讓配戴者鎖定自已有興趣的聲音，阻擋掉環(huán)境噪音。

研究團(tuán)隊(duì)觀察這種特殊類型的寄生蒼蠅擁有不同的聲音經(jīng)驗(yàn)，Hall說，由于蒼蠅的特殊聽覺結(jié)構(gòu)，使其聲音以一種蹺蹺板的方式相移。這放大了時(shí)間延遲，并且讓寄生蠅能夠比其他昆蟲或動物更準(zhǔn)確地定位聲音來源。

“利用這種蹺蹺板原理，寄生蠅能機(jī)械性地處理一些很小的差異，”他說：“跨越蹺蹺板的聲壓差異使其進(jìn)入搖擺運(yùn)動，就好像不同重量的孩子坐在蹺蹺板兩端上下?lián)u一樣。”

利用這種結(jié)構(gòu)作為模型，德州大學(xué)奧斯汀分校的研究團(tuán)隊(duì)們以硅晶打造出一款2mm寬的麥克風(fēng)組件，幾乎就像是寄生蠅的聽覺器官一樣。該組件是由可撓性光束和壓電材料構(gòu)成，利用壓電材料讓研究團(tuán)隊(duì)能同時(shí)測量光束的撓曲與旋轉(zhuǎn)。這些動作使其得以復(fù)制寄生蠅的聽覺。

Neal指出，雖然過去也已經(jīng)打造出類似的組件，但利用壓電材料卻是十分獨(dú)特的作法，讓該組件得以透過將機(jī)械壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娪嵦?，從而以非常低的功耗作業(yè)。

這種低功耗特性可使其用于開發(fā)無需電池的新一代助聽器。目前助聽器的配戴者都必須經(jīng)常為設(shè)備更換電池，不僅造成更多成本，同時(shí)也可能影響助聽器的穩(wěn)定性能。

該設(shè)備讓用戶聽到聲音的方式還可能為助聽器帶來另一項(xiàng)優(yōu)勢。Hall強(qiáng)調(diào)，因?yàn)樗梢宰钃醯粢恍┤藗儾⒉灰欢ㄏ肼牭降脑肼暋?/p>

“除了定位聲音以外，寄生蠅還教我們一些讓小型麥克風(fēng)內(nèi)建方向性的技巧，”他說，“這是在某些情況下非常有用。例如助聽器配戴者常常覺得在具有較高噪聲背景的環(huán)境下(如餐廳)很難聽的清楚。為了聽清楚感興趣的聲音而調(diào)高音量，也會使室內(nèi)的所有聲音跟著放大。透過這種只能聽到某一感興趣聲音方向、同時(shí)又能濾除背景噪聲的麥克風(fēng)組件，能夠增強(qiáng)了解用戶感興趣的能力。”

該組件還適于軍事與國防應(yīng)用，打造出能讓士兵在黑暗中準(zhǔn)確定位出聲音來源的裝置，尤其是在缺少視力輔助的情況。事實(shí)上，美國國防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)已為Hall的研究提供贊助。

為了開發(fā)出這種麥克風(fēng)組件，Hall及其研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行數(shù)年的研究，著重于增加頻率范圍以便涵蓋完整的音頻頻寬。當(dāng)然這款組件還需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)，才能適用于消費(fèi)品的封裝與處理。