近年来，电子工程师们开发了许多受人类和动物生物学启发的系统。通过密切复制复杂的生物过程，这些系统最终能够更可靠、更有效地解决许多现实世界的问题。

德国伊尔梅瑙工业大学、基尔大学、科克大学学院、卡尔斯鲁厄理工学院和弗劳恩霍夫数字媒体技术伊尔梅瑙研究所的研究人员最近创建了一种灵感来自人类内耳蜗器的新型微机电传感器。这种人造蜗器在Nature Electronics上推出，可以更有效地处理声音，并在嘈杂的环境中检测单个信号，比简单的麦克风更加优秀。

该研究的想法是建造人工毛细胞，类似于耳内毛细胞，它们负责人类听觉检测。该论文的主要作者克劳迪娅·伦克告诉Tech Xplore：“我们受到了Bryan Joyce等人之前工作的启发，他们使用了带有复杂反馈的悬臂杆来实现毛细胞的特定特性。我们认为，由于我们拥有一种特定类型的悬臂杆（硅梁），可以完全电子读出和激发，因此我们可以相当轻松和高效地创建人工毛细胞。”

人类和其他哺乳动物的耳朵与传统的麦克风工作方式非常不同。由于麦克风可以同时检测所有音调（即频率）的声音信号，因此它们捕捉到的响亮音调有时会掩盖更安静的音调。而耳朵则包含不同的毛细胞，负责检测不同频带的声音信号，因此能够区分不同的音调。

"耳朵中的毛细胞可以独立调整，特别是对于检测的增益，因此每个音调的检测方式可以进行调整，"Lenk解释道。 "这很重要，如果我们想要分离语音和背景信号。在这种情况下，对于属于语音信号的音调，增益会很高，而对于背景信号则很低。通过这种方式，背景和语音可以更容易被分离。"

Lenk和她的同事们创造的微机电耳蜗具有两个关键组成部分。第一个部分包括一系列小型硅悬臂，设计成人工毛细胞，检测来自周围环境的声音信号。第二部分是一个反馈环路，可单独调节每个悬臂的检测属性。

“当声音作用于悬臂时，悬臂就开始振动，这种振动可被一个集成的读出系统测量为电子信号，”Lenk说道。“每个悬臂还包含一个驱动器。如果我们在驱动器上施加电压，它就会迫使悬臂弯曲或振荡，具体取决于所施加的信号。对于反馈环路：测量到的信号被放大，然后添加一个偏置（静态）电压。悬臂的驱动器也被这个信号所驱动。”

人工耳蜗的反馈回路产生的反馈信号最终会改变每个悬臂梁检测声音的方式，例如调制它的增益、灵敏度和带宽。悬臂梁的增益也可以被调整为非线性，这意味着它会根据所接收到的声音振幅而改变。这意味着可以放大较轻的声音，减弱较响的声音，确保所有记录的声音都可以被人类听者检测到。

“由于每个悬臂梁只对一定频率范围的声音产生反应，因此可以使用悬臂梁阵列将信号分解为不同频率的响应，类似于人类耳朵的工作原理，”Lenk表示。“此外，每个悬臂梁的检测特性都可以单独调节，因此我们可以改变不同音调的感知方式。所有这些特性，包括特定音调的响应、非线性响应和反馈调节响应，使得该系统高度适应性强。”

Lenk和她的同事所引入的微电子机械耳蜗的高适应性可能对现实世界的应用非常有利，因为不同的环境（例如安静的房间，火车站，商场等）可能有不同程度的背景噪音。通过调节悬臂的声音感应特性，他们的系统可能能够捕捉到比固定特性的传统麦克风更多的声音。

当麦克风在其周围记录声音时，需要使用专业软件深度分析它们的录音，以便检测一些更安静的信号，特别是如果这些声音是在拥挤和嘈杂的环境中记录的。另一方面，研究人员创造的自适应耳蜗可以在早期阶段应用改变并过滤出声音（即在记录信号时）。这可以简化几个真实世界的应用，包括语音识别，提高这些系统在嘈杂环境中分类收集到的声音的能力。

Lenk说：“我们成功地通过一个相当简单和快速的反馈循环直接将人的听觉特性实现在传感器中。这有两个重要的意义。首先，系统快速适应，这对于在各种情况下应用非常重要。耳蜗的仿生特性还有助于突出重要信息，比如声音何时开始或特定音调，这应该有助于使处理更快、更高效 (即，处理所需的神经网络更小)。”

团队人工耳蜗的另一个优点是易于适应并集成到更广泛的系统中。例如，它可以用于开发性能更好的助听器、智能扬声器、安全系统等。

Lenk解释说：“构建这种仿生特性的其他方法更加复杂。”这使得它们难以扩展到完整的听觉范围，以便在助听器、智能扬声器等设备中使用，而且它们通常不支持适应性。”

听力损失通常是由于内耳中毛细胞的丧失引起的，进而限制了听取特定声音的能力。随着 Lenk 和她的同事引入的新型人工耳蜗复制了毛细胞的功能，团队目前正在评估其创建更高性能助听器的潜力。

“接下来我们的步骤将是建立一个覆盖整个听力范围的系统，并将MEMS耳蜗与神经网络进行结合处理，”Lenk补充道。“后者很重要，可以实现自动适应和强调重要的声音，比如语音。这个系统将在我们的新项目NeuroSensEar中为助听器使用而开发。”