Все это было бы невозможно без способности мухи найти сверчка — краеугольного камня ее паразитического образа жизни. Муха может определить местонахождение щебечущего сверчка с поразительной точностью из-за ее необычайно острого слуха, который опирается на сложный механизм обработки звука, который действительно отличает ее от всех других известных насекомых.Теперь группа исследователей из Техасского университета в Остине разработала крошечный прототип устройства, имитирующего слуховой механизм паразитических мух, который может быть полезен для нового поколения сверхчувствительных слуховых аппаратов.
В этом устройстве шириной 2 миллиметра, описанном в журнале Applied Physics Letters от AIP Publishing, используются пьезоэлектрические материалы, которые превращают механическую деформацию в электрические сигналы. Использование этих материалов означает, что устройству требуется очень мало энергии.«Синтез специального механизма с пьезоэлектрическим считывающим устройством — большой шаг вперед к коммерциализации технологии», — сказал Нил Холл, доцент инженерной школы Кокрелла в UT Austin. «Сведение к минимуму энергопотребления всегда является важным фактором при разработке слуховых аппаратов.Есть также военные и оборонные приложения, и работа Холла финансировалась Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).
Например, в темноте, когда визуальные подсказки недоступны, локализация событий с помощью звука может иметь решающее значение.Супер развитый слух
Люди и другие млекопитающие обладают способностью определять источники звука из-за конечной скорости звука в сочетании с разделением между нашими ушами. Расстояние в несколько сантиметров или более создает небольшую разницу во времени, которое требуется звуковым волнам, чтобы попасть в наши уши, которые мозг обрабатывает перцептивно, чтобы мы всегда могли ощущать наши настройки в окружающем звуке.
У насекомых этой способности обычно нет, потому что их тела настолько малы, что звуковые волны, по существу, поражают обе стороны одновременно. Многие насекомые действительно улавливают звуковые колебания, но вместо этого они могут полагаться на визуальное или химическое восприятие, чтобы найти свой путь в боях, полетах и добыче кормов в повседневной жизни.
O. ochracea — заметное исключение. Он может определить направление чириканья сверчка, даже если его уши находятся на расстоянии менее 2 мм друг от друга — расстояние настолько незначительное, что разница во времени прибытия между его ушами составляет всего около четырех миллионных долей секунды (0,000004 секунды).Но муха выработала необычный физиологический механизм, позволяющий максимально использовать эту крошечную разницу во времени.
То, что происходит, происходит за четыре миллионных секунды между тем, когда звук идет в одно ухо, и когда он идет в другое, фаза звука немного сдвигается. Ухо мухи имеет структуру, напоминающую крошечные качели длиной около 1,5 мм.
Качели, по самой своей природе, вибрируют так, что противоположные концы имеют разность фаз на 180 градусов, поэтому даже очень небольшие разности фаз в падающих волнах давления вызывают механическое движение, которое на 180 градусов не совпадает по фазе с другим концом. Это эффективно увеличивает задержку в четыре миллионных секунды и позволяет мухе определять местонахождение своей добычи сверчка с поразительной точностью.Такая способность почти эквивалентна тому, как человек чувствует землетрясение и способен различать направление эпицентра благодаря разнице во времени между тем, когда правая и левая ступня впервые почувствовали тремор, за исключением того, что у мухи слух еще больше. — сказал Холл.
Имитация механизмаНоваторская работа по открытию необычного механизма слуха у мух была проделана Рональдом Майлзом из Бингемтонского университета и его коллегами Рональдом Хоем и Дэниелом Робертом, которые впервые описали механизм фазового усиления, который муха использует для достижения направленного слуха около 20 лет назад.
В 2013 году Майлз и его коллеги представили микрофон, вдохновленный ушами мухи.Вдохновленные предыдущей работой Майлза, Холл и его аспиранты Майкл Кунцман и Донхван Ким построили миниатюрный чувствительный к давлению качели из кремния, который имеет гибкую балку и интегрированные пьезоэлектрические материалы.
Использование пьезоэлектрических материалов было их оригинальной инновацией, и это позволило им одновременно измерять изгиб и вращение колеблющейся балки. Одновременное измерение этих двух режимов вибрации позволило им воспроизвести особую способность мухи определять направление звука в устройстве, по существу того же размера, что и физиология мухи.
По словам Холла, эта технология может стать благом для многих людей в будущем, поскольку слуховые аппараты носят 2 процента американцев, но, возможно, 10 процентов населения могут извлечь выгоду из их ношения.«Многие считают, что основной причиной этого разрыва является неудовлетворенность пациента, — добавил он. — Увеличение усиления, чтобы слышать кого-то напротив, также усиливает весь окружающий фоновый шум — напоминая звук коктейльной вечеринки».Новая технология может создать поколение слуховых аппаратов с интеллектуальными микрофонами, которые адаптивно фокусируются только на тех разговорах или звуках, которые интересны пользователю. Но прежде чем эти устройства станут частью слуховых аппаратов или смартфонов следующего поколения, необходимы дополнительные разработки и испытания.
«Хрупкий механизм должен быть защищен от касания потребителя окружающей упаковкой, — сказал Холл, — о чем мухе не стоит слишком беспокоиться».