به گفته محققان، گوش حشرات الهام‌بخش طراحی میکروفون‌های کوچک با چاپ سه‌بعدی هستند که می‌توانند جهت صدا را مشخص کنند و جایگزین تجهیزات بسیار حجیم‌تری شوند که امروزه برای همین وظیفه به کار می‌روند.

گوش حشره دارای ورقه نازکی از بافت به نام تمپان است که بسیار شبیه پرده گوش انسان است. امواج صوتی باعث ارتعاش این غشا می‌شود و دستگاه حسی درون گوش، این ارتعاشات را به سیگنال‌های عصبی تبدیل می‌کند.

اگرچه تمپان یک حشره معمولاً یک میلی‌متر یا بیشتر عرض دارد، حشرات قادر به سطحی از شنوایی هستند که در حال حاضر به وسایل بسیار بزرگ‌تری نیاز دارند. پروانه شبانه Achroia grisella همچنین می‌تواند تشخیص دهد که صداها از کدام جهت می‌آیند و می‌تواند این کار را تنها با یک تمپان به عرض نیم میلی‌متر انجام دهد. این پروانه احتمالاً این مهارت را هم برای تشخیص خفاش‌های درنده و هم برای جفت‌گیری فراصوت تکامل داده است.

به منظور تقلید آنچه که گوش حشرات می‌تواند انجام دهد، دانشمندان در ابتدا سعی کردند ساختار حشرات را با سیستم‌های میکروالکترومکانیکی سیلیکونی (MEMS) کپی کنند. اندرو رید، مهندس برق دانشگاه Strathclyde در گلاسکو می‌گوید که در نهایت اما دستگاه‌های به‌دست‌آمده فاقد انعطاف‌پذیری و تغییرات ساختاری میکروسکوپی سه‌بعدی هستند که در گوش‌های واقعی حشرات دیده می‌شود که به آنها کمک می‌کند تا به خوبی بشنوند.

اکنون رید و همکارانش در حال آزمایش پرینت سه‌بعدی هستند تا به طور دقیق‌تری ساختار گوش حشرات را کپی کنند. او تحقیقات تیمش را در نشست سالانه انجمن آکوستیک آمریکا در 10 می در شیکاگو شرح داد. این تحقیق بر اساس کار قبلی این تیم برای درک اینکه چگونه حشرات چنین شنوایی دارند، ساخته شده است.

محققان غشاهای مختلفی را به صورت سه‌بعدی پرینت کرده‌اند تا طیفی از تمپان‌های حشرات را کپی کنند. ماده پایه برای ساخت این غشاها معمولاً یک هیدروژل انعطاف‌پذیر مانند پلی‌اتیلن گلیکول دی اکریلات است. رید می‌گوید که غشاها اغلب شامل یک ماده پیزوالکتریک مانند کریستال اکسید پروسکایت معروف به PMN-PT هستند که می‌تواند انرژی صوتی را به سیگنال‌های الکتریکی و ترکیبات مبتنی بر نقره رسانای الکتریکی تبدیل کند.

برای بهبود عملکرد پیزوالکتریک این غشاهای مصنوعی، دانشمندان آن‌ها را متخلخل‌تر کرده‌اند و تخلخل‌هایی را که در بعضی‌اوقات در تمپان حشرات مشاهده می‌شود تقلید می‌کنند. آنها متانول را در رزین چاپ سه‌بعدی حل می‌کنند و با جامد شدن رزین، دیگر در متانول محلول نمی‌شود. این امر منجر به جدا شدن متانول و تشکیل قطرات در داخل رزین می‌شود که اساس منافذ را تشکیل می‌دهند.

تغییرات سه‌بعدی میکروسکوپی در ضخامت، تخلخل، چگالی و انعطاف‌پذیری در غشاهای مصنوعی به آنها کمک می‌کند تا مانند حسگرهای صوتی بسیار حساس و کارآمد رفتار کنند. طراحی آنها به آنها کمک می‌کند تا به طور خودکار صدا را به روشی مکانیکی فیلتر کنند، به این معنی که آنها به قدرت و نیازهای محاسباتی پردازشگرهای صدای دیجیتال نسبتاً حجیم نیاز ندارند.

رید گمان می‌کند که میکروفون‌های الهام گرفته از حشرات ممکن است در جایی کاربرد پیدا کنند که در آن حسگر صدا برای تشخیص سریع سیگنال‌های خاص بدون مصرف انرژی زیاد مورد نیاز است. چنین دستگاه‌هایی همچنین به اطلاعات یا سخت‌افزار بسیار کمی نیاز دارند.

هنوز چیزهای زیادی وجود دارد که دانشمندان نمی‌دانند که چگونه تغییرات ساختاری میکروسکوپی در تمپان حشرات به آنها کمک می‌کند تا آنجا که می‌توانند بشنوند. رید می‌گوید مدل‌های رقابتی در مورد چگونگی بهبود شنوایی هر یک از این تغییرات وجود دارد.

همچنین مشخص نیست که چرا تخلخل دقیقاً عملکرد پیزوالکتریک غشاها را بهبود می‌بخشد. رید می‌گوید روشی که منافذ بقیه مواد غشا را روی هم متمرکز می‌کنند ممکن است به هدایت انرژی صوتی به نانوذرات پیزوالکتریک کمک کند. او می‌افزاید که منافذ همچنین می‌توانند غشاها را انعطاف‌پذیرتر و در برابر امواج صوتی پذیرا باشند.

رید می‌گوید اپتیک چاپگرهای سه‌بعدی موجود، وضوح ویژگی‌های غشاهای مصنوعی را تقریباً به 200 میکرومتر محدود می‌کند و می‌افزاید که بهبود اپتیک می‌تواند به وضوح کمتر از 10 میکرومتر منجر شود. این ممکن است عملکرد این دستگاه‌ها را بهتر کند.

رید می‌گوید: کاری که ما تا به امروز انجام داده‌ایم هنوز برای طراحی عملی حسگر کافی نیست.

منبع: IEEEspectrum