“人类作为傲慢的动物，按照自己的耳朵设计了麦克风——但这不一定是最好的方法，” 宾厄姆顿大学的机械工程师罗恩·迈尔斯说。
迈尔斯认为，为什么不以根本没有耳朵的生物为模型来设计麦克风呢？在渥太华举行的美国声学学会会议上，迈尔斯在周四的演讲中描述了借鉴蜘蛛的声学原理如何改变未来声音录制技术。
大约150年前，一位名叫赫尔曼·冯·亥姆霍兹的德国物理学家弄清了人类耳朵处理声音的第一步：空气中的压力波以不同的频率振动鼓膜，激活大脑用于创造听觉体验的电信号。不到十年后，发明家埃米尔·贝利纳获得了基于相同原理的麦克风专利，用一张绷紧的金属振膜代替了鼓膜的鼓室膜。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻报道，方式是 订阅。通过购买订阅，您将帮助确保未来能够持续产出关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的报道。
这些基于压力的设备已经很好地为我们服务了一个多世纪，但是今天我们添加到无数小工具中的麦克风需要比以往任何时候都更小、更灵敏、更清晰。迈尔斯解释说，当基于压力的麦克风被微型化到一定程度时——例如，用于手机或智能手表——它就会变得“嘈杂”。振膜越小，就越容易被漂浮在空气中的游离分子所扰动。换句话说，麦克风装置本身对背景噪声非常敏感，以至于后者会淹没所需的声音。
迈尔斯说，坚持基于压力的模型可能会阻碍麦克风技术的发展。“如果你想制造一些小的东西，你应该考虑小动物是如何做到的，”他说。它们拥有数百万年的进化研发优势。
许多节肢动物，包括蚊子和蜘蛛，根本没有感知声音压力波的器官。相反，它们探测由声音产生的气流：它们身体上的特殊绒毛感知空气粒子的速度和方向，因为这些粒子被声波卷起。正如迈尔斯和他的团队在2022年发现的那样，一些蜘蛛甚至完全将听觉外包给它们的蜘蛛网：声音的气流导致丝状物振动，蜘蛛可以通过触觉感知到。
在这一发现之后，研究人员开始着手确定，基于气流的探测器是否真的能够感知和区分人类使用的麦克风所需的频率范围——而不仅仅是那些引起饥饿蜘蛛兴趣的频率。宾厄姆顿团队从被称为桥蛛的圆蛛（它们恰好生活在大学的自然保护区）身上提取了蛛丝，并使用激光测振仪记录了它们对不同声音频率的反应。
普通人可以听到大约20赫兹（或每秒周期）到20千赫兹的声音——而蜘蛛丝被证明对从1赫兹到50千赫兹的所有频率都有反应。“这是一个更大的范围，比任何[现有的、基于压力的]麦克风都好，”迈尔斯解释说。“它的频率响应基本上是完美的。”
由于在我们的手机中使用小块蜘蛛丝是不切实际的，迈尔斯和他的团队正在努力开发一种模拟该物质特性的硅芯片。“我们不用丝线，而是制造悬臂梁，”他解释说。“它们就像小跳水板，但只有半微米厚。”
对这些芯片的测试，于四月发表在《美国声学学会杂志》上，表明基于流动的微型麦克风在微型化时不会像基于压力的麦克风那样遭受相同的“性能损失”。“这是一个令人愉快的惊喜，”该研究的主要作者，宾厄姆顿声学工程师赖俊鹏说。“如果悬臂梁足够薄，尺寸就无关紧要。如果你把它做得小10倍，声音保真度也是一样的。”
牛津大学的进化生物学家弗里茨·沃尔拉斯说，虽然我们离基于蜘蛛技术的麦克风还有数年之遥，但迈尔斯和赖的研究结果“优雅地”展示了蛛丝看似无穷无尽的应用，他研究蜘蛛及其蜘蛛网已有近50年。在他的职业生涯中，沃尔拉斯见证了蛛丝启发了材料科学、软体机器人、神经再生以及光学和化学传感等不同学科的进步。
“我们太习惯于日常生活中这种奇迹，以至于我们不再质疑它，”沃尔拉斯说。“当你开始研究它时，你就会开始意识到蜘蛛网真的有多么精密复杂。”