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任何在森林里散步的人,如果听到熊的咆哮,都会想尽快找到声音的来源,然后朝相反的方向走去。


“定向听觉是生物的关键,因为我们不只是想听到周围的声音。理想情况下,我们也想知道它们来自哪里,例如,我们想找到发出求偶叫声的潜在伴侣,或者我们想追踪我们试图捕猎的猎物声音的来源。”拉腊Díaz-García说,她是格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学电子与电气工程系三年级博士生。

研究人员不仅希望从生物学的角度了解定向听觉,而且希望创造生物仿生产品,比如麦克风和助听器,它们可以提供简单而有效的方法来确定声音的方向。


Díaz-García的博士论文旨在解开一个特别神秘的听觉系统的奥秘——小蜡蛾,Achroia grisella。


值得注意的是,大型动物的耳朵之间有足够的距离,让它们能够区分声音到达一只耳朵的时间与到达另一只耳朵所需的时间之间的差异。然后,他们的大脑就能够利用这些信息来估计声音的方向。然而,昆虫等小动物的耳朵靠得很近,它们必须依靠其他方式来处理声音的方向性。


Díaz-García注意到关于a的方式提出了各种各样的理论。尽管这种飞蛾的两只内耳相距只有600微米,但Grisella能够判断声音的方向。

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“这种情况还有最后一个令人困惑的因素,那就是发现一只耳朵穿孔的雌性仍然能够追踪交配的叫声,这让我们产生了一个假设,即耳朵本身的形态赋予了飞蛾定向听觉。”Díaz-García说。


她通过模拟重现了飞蛾耳朵的结构,从一个过于简化的模型开始,并使其变得越来越复杂。我们的第一个模型是一个简单的圆形盘子,它离飞蛾的耳朵很远,没有显示任何方向性。然后我们添加元素,直到我们达到一个椭圆板,有两个不同厚度的部分和一个额外的质量来解释神经元连接。


然后,研究团队创建了一个3d打印的模拟耳朵模型并对其进行了测试,并在8月17日发表在《IEEE传感器杂志》上的一项研究中描述了结果。在通常与神经元相连的耳朵部分,研究小组发现,来自耳朵前部的声音比来自耳朵后部的声音接收得更强烈。事实上,似乎耳朵的结构可以帮助动物确定声音的方向,为新的生物灵感技术打开了大门。


Díaz-García解释说:“这项研究的主要优势在于,方向性只需要一个特定特征元素就可以实现,这与我们现在看到的大多数定向声传感器形成了鲜明对比,后者需要阵列来比较至少两个麦克风的响应。”


她说,该团队有兴趣最终将他们的被动结构变成压电设备,这可能对各种产品有用。


Díaz-García指出,定向麦克风在智能手机中非常有用,我们想要排除环境噪音,只关注扬声器。它们也是助听器的理想选择。在未来的某一天,如果能看到这只小飞蛾的耳朵成为某种助听器,那就太好了。


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