در دنیای حشرات که شامل انبوهی از موارد جذاب است، اغلب توانایی آنها در شیندن نادیده گرفته می‌شود. در درون بدن کوچک حشرات سیستم‌های شنوایی منحصر به فردی وجود دارند که به لحاظ پیچیدگی با اورگان‌های بزرگتر رقابت می‌کنند.
با درنظر گرفتن توانایی شنیدن مگس، به عنوان مثال مگس زرد، حائز رتبه‌ی دوم به لحاظ شنوایی مستقیم است. هر کدام از گوش‌های آن، که به هم مرتبط هستند، دارای دو پرده‌ی نازک بوده که به یک میله مفصلی متصل است.
این میله در جهت تقویت تشخیص جهت سیگنال به مگس کمک می‌کند. این توانایی به مگس اجازه می‌دهد که به شکل دقیقی محل طعمه را مشخص نماید. این حشره این کار را با یافتن تفاوت نامحسوس شدت صوت و زمانبندی شنوایی دو گوشش انجام می‌دهد.
با کشف اصول مکانیکی در پشت همچنین انطباقی در شنوایی و با بهره‌گیری از تکنولوژی پیشرفته‌ی پرینت سه بعدی، مهندسان و دانشمندان، در حال ایجاد انقلابی در دریافت صدا هستند. بر این اساس و با الهام از محیط زیست، آنها درحال توسعه‌ی میکروفن‌های مینیاتوری هستند.
Acroia Grisella نمونه ساختی از میکروفن با الهام از ساختار شنوایی مگس بوده و نمونه کاری از سوی Andrew Reid است.
به منظور کندوکاو در این پیشرفت، Intresting Engineering (IE) مصاحبه‌ایی را با دکتر Andrew Reid استاد University of Strathclyde در انگلستان، انجام داده است. او اخیرا میکروفن‌هایی را توسعه داده که اطلاعات آکوستیکی را بصورت خودکار جمع‌آوری کرده و با الهام از ساختار شنوایی حشره ایجاد شده است.
کوچک اما مهم: میکروفن‌های الهام گرفته از حشرات چیست؟
دکتر Reid عنوان می‌کند که میکروفن‌های الهام گرفته از حشرات در واقع سیستم‌های با حجم داده (اطلاعات)پایین و توان الکتریکی کم هستند.
تیم تحقیقاتی Reid از چندین وجه از گوش حشره الهام گرفته‌اند. برای مثال، با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی، آنها مواد مخصوصی را بوجود آورده‌اند که به لحاظ ساختار و از نظر شیمیایی رفتاری شبیه به پرده‌ی گوش حشره دارند.
این پرده‌ی (غشا) مصنوعی به عنوان یک سنسور آکوستیکی بسیار حساس و با بازدهی زیاد عمل می‌کند. در این مورد پرینت سه بعدی (۳D) ضروری است. دلیل آن اینست که روش‌های برپایه‌ی سیلیکون، قدیمی و دارای کمبود انعطاف‌پذیری مورد نظر بوده و انحصاری ساختن آن مشکل است.
دکتر Reid اشاره دارد که با استفاده از پاسخ مکانیکی پرده‌های رتبه بندی شده، تنها سیگنال‌های خاص و محلی از پرده که آنها را ارزیابی می‌کند، درنظر گرفته می‌شوند. سپس اندازه‌گیری زمانی انجام می‌پذیرد که سیگنال مورد نظر وجود دارد. (بر خلاف یک میکروفن که شما بصورت پیوسته و در یک بازه‌ی فرکانسی وسیع ضبط صدا را انجام می‌دهید).
دکتر Reid تاکید برآن دارند که در طبیعت سلول‌های عصبی قطارهای خوشه‌ایی (توالی و یا الگویی از ضربه‌های الکتریکی) تولید می‌کنند که مبین حضور سیگنال بوده و در این حالت اطلاعات مازادی را رمزگذاری نمی‌کنند.
اما به هر حال، جزئیات پیچیده‌تر همانند ترکیب فرکانسی و محل سیگنال می‌تواند بواسطه‌ی فیلترهای مکانیکی و پردازش اطلاعات در پرده (غشا)، استخراج گردد.
او همچنین اشاره دارد که چگونه موجودی مانند پروانه مومی کوچک می‌تواند صدای همراهش را بواسطه‌ی پرده‌ی گوش که تنها یک میلیمتر بعد داشته و دارای چهار نورون است، دنبال کند.
پرده‌های (غشا) ۳ بعدی که از طریق پرینت ۳D ایجاد شده‌اند، از پردازشی استفاده می‌کنند که نور دیجیتالی نامیده می‌شود. رزین استفاده شده در این فرآیند با استفاده از نور فرابنفش پلیمریزه (ترکیب) شده که می‌تواند با نمایش تصویر بر روی سطح رزین و با استفاده از یک منبع UV و پروژکتورهای اپتیک، بهبود یابند.
زمانیکه ما شدت نور را در سراسر تصویر تغییر می‌دهیم، درواقع نرخ عکس العمل پلیمرزاسیون را تغییر می‌دهیم که منجر به تغییراتی در ضخامت، سازگاری، و اخیرا تخلخل می‌گردد.
با کپی کردن مشخصات گوش‌های حشره، مخصوصا توانایی جهت‌یابی صدا در حشراتی که در فوق نام برده شد، تیم دکتر Reid قادر به یافتن اطلاعات مربوط به منبع صوت است. آنها همه‌ی این موارد را با اندازه‌گیری بزرگای سیگنال در نقاط خاصی از پرده انجام می‌دهند.
بیشتر کار اصلی توسط زیست‌شناسانی که در بدو کار به ارتباطات حشره و رفتار آن علاقه دارند، انجام می‌پذیرد. سپس آنها به مهندسانی نیاز دارند که علم مکانیک مربوط به این موضوع را درک کنند.
این استاد اشاره دارد که مهندسان به شکل روزافزونی کاربردهای عملی این یافته را پیدا کرده‌اند و دلیل آن اینست که میزان علم آنها در این زمینه افزایش پیدا کرده است.
بعلاوه، ایشان به محدودیت‌ها و چالش‌هایی که در زمینه‌ی شبیه‌سازی عملی توانایی‌های حشرات وجود دارد اشاره داشتند. به عنوان مثال پردازش سیگنال دیجیتال اغلب نتایج مشابهی را با حداقل توان الکتریکی و فضای مورد نیاز حاصل می‌کند.
فرصت‌های استفاده‌ی موثر از این سیستم‌ها زمانی حاصل می‌گردد که به بلوغ تکنولوژی در چند زمینه رسیده باشیم. از جمله‌ی آنها می‌توان به تکنولوژی ساخت افزودنی در مقیاس کوچک و برنامه‌نویسی نورومورفیک اشاره نمود که این موضوع برای ایجاد سنسورهای اختصاصی بسیار کم توان که برای شبکه‌های جمع آوری داده fit and forget ایده‌آل هستند، بکار میرود.
IE دکتر Reid را با این سوال به وجد آورد که “چگونه این میکروفن‌های الهام گرفته شده از حشره برای کاربردهای حقیقی در دنیای واقعی بکار می‌روند؟”
انقلابی در نحوه‌ی شنیدن افراد و یا چیزی فراتر از آن ایجاد می‌کنند؟
یکی از مثال‌ها که ما اغلب ارائه می‌کنیم و جدیدا هم توسعه یافته، کاشت حلزونی گوش است. حلزونی‌های جدید می‌تواند تا ۱۶ باند فرکانسی را که اغلب با تعداد الکترودها محدود می‌شوند و نه میکروفن‌ها، تحریک کند.
ایشان بیان داشته اندکه به هنگام استفاده از پردازش سیگنال دیجیتال، او بیشتر بر تقسیم سیگنال به محدوده‌های مختلف تمرکز می‌کند. این روند شامل ضبط سیگنال، تبدیل آنالوگ به دیجیتال، و انجام تبدیل فوریه (FFT) است.
به بیان ساده، تبدیل فوریه یک تکنیک ریاضی است که می‌توان از آن برای تجزیه‌ی سیگنال به مولفه‌های فرکانسی منحصر به فرد استفاده نمود. مانند اینست که شما مواد تشکیل‌دهنده‌ی یک آبمیوهی مخلوط را به منظور شناسایی خود میوه بکار ببرید.
از تبدیل فوریه به شکل رایجی در زمینه‌هایی همچون پردازش سیگنال صوتی، تحلیل تصویر، و پردازش سیگنال به منظور تحلیل و معنادار کردن سیگنال‌ها استفاده می‌شود.
دکتر Reid تصریح کردند که این تبدیل تاخیری بین ضبط سیگنال و تحریک عصب شنوایی ایجاد می‌کند.
این تاخیر، به عواملی همچون پهنای باند و رزولوشن مد نظر شما، بستگی دارد. (لازم است که نسبت به فرکانس‌های تا ۸ کیلوهرتز دوره‌ی زمانی بیشتری را ضبط کنید تا بتوانید فرکانس‌های تا ۲۰ کیلوهرتز را بگیرید).
ایشان همچنین جزئیاتی از لزوم تاخیر متغیر که چالش‌هایی را برای استفاده‌کنندگان حلزون گوش بوجود می‌آورد ارائه کردند. او تاکید کرد که با انجام تجزیه‌ی فرکانسی بصورت مکانیکی، تاخیر مذکور می‌تواند به میزان زیادی کاهش یافته و پیوسته‌تر شود.
اگر بتوانید تجزیه‌ی فرکانسی را بصورت مکانیکی انجام دهید، شما قادر خواهید بود که تاخیر را کاهش داده و آن را استوارتر سازید.
با اعمال این پیشرفت، استفاده‌کنندگان از کاشت حلزون می‌توانند مزایای زیادی را در تضاد با تاخیرات پردازش بکاررفته در روش‌های سنتی و متدهای قدیمی مشاهده نمایند. Reid همچنین یک شرکت استرالیایی را به طور خاص معرفی نمود که در این زمینه با آنها همکاری داشته است و آنها در پیشرفت‌های اخیر، بطور فعالی حضورداشته‌اند.
در نتیجه، زمینه‌ی تحقیقاتی میکروفن‌های الهام گرفته از حشره پتانسیل زیادی برای ایجاد انقلاب در دریافت صدا و افزایش درک ما از سیستم‌های شنوایی دارد.
با کشف مکانیزم‌های پیچیده و با استفاده از تکنولوژی پرینت سه بعدی، دانشمندانی همچون دکتر Reid، مسیر را برای توسعه‌ی میکروفن‌های مینیاتوری الهام گرفته از محیط زیست هموارتر می‌سازند. این نوآوری‌ها نتنها قادر به تقلید توانایی شنوایی فوق‌العلاده‌ی حشرات است بلکه، کاربردهای عملی را در زمینه‌های مختلف پیشنهاد می‌دهد. این قابلیت‌ها گسترده بوده و از پایش محیط زیست گرفته تا تجهیزات پزشکی می‌توان بدان‌ها اشاره نمود.
از آنجا که محققان مرزها را جابجا می‌کنند، انتظار میرود که در آینده وعده‌ی پیشرفت‌های مهم در زمینه‌ی دریافت صدا محقق شده و ادغام تکنولوژی الهام گرفته از محیط زیست با زندگی‌های روزمره رخ دهد.
بیشتر بخوانید: ۱۰ نوع میکروفون
