近年来，电子工程师受到人类和动物生物学的启发，开发了一系列广泛的系统。通过密切复制复杂的生物过程，这些系统最终可以更可靠、更有效地解决许多现实世界的问题。
伊尔曼瑙科技大学Universität、基尔大学、科克大学、卡尔斯鲁厄理工学院和弗劳恩霍夫数字媒体技术研究所的研究人员最近发明了一种新的微机电传感器，灵感来自耳蜗，耳蜗是人类内耳的螺旋形腔，对声音振动产生神经冲动。在《自然电子》杂志上介绍的这种人工耳蜗，可以比简单的麦克风更有效地处理声音和检测嘈杂环境中的单个信号。
“这项研究的想法是制造人造毛细胞，类似于内耳的毛细胞，它们负责人耳的声音检测，”该论文的主要作者克劳迪娅·伦克告诉Tech Xplore。“我们受到Bryan Joyce等人之前工作的启发，他们使用具有复杂反馈的悬臂来实现毛细胞的特定特性。我们认为我们可以非常容易和有效地制造人造毛细胞，因为我们有一种特殊类型的悬臂(硅梁)，可以完全通过电子方式读取和驱动。”
人类的耳朵和其他哺乳动物的耳朵的工作原理与动物非常不同nventional麦克风。作为microphoNes检测到所有Nes(即频率)的一个声音信号同时，大声到他们听到的声音有时会掩盖更安静的声音。另一方面，耳朵也会维持不同的毛细胞是反应不能检测不同的Nes(即不同频带的声音信号)。
伦克解释说:“耳朵里的毛细胞可以单独调节，特别是检测的增益，因此可以调节每种音调的检测方式。”“如果我们想将语音从背景信号中分离出来，这一点很重要。在这种情况下，属于语音信号的音调的增益将是高的，而属于背景信号的增益将是低的。通过这种方式，背景和语音可以更容易地分开。”
Lenk和她的同事创造的微机电耳蜗有两个关键组成部分。第一个包括一系列小硅悬臂，设计成人造毛细胞，探测来自周围环境的声音信号。第二个是一个反馈回路，可以单独调整每个悬臂梁的检测特性。
伦克说:“如果有声音撞击，悬臂就会振荡，这种振荡由一个集成的读出系统作为电子信号进行测量。”每个悬臂还包含一个执行器。如果我们在执行器上施加电压，它会迫使悬臂弯曲或振荡，这取决于施加的信号。对于反馈回路:测量信号被放大，外加一个偏置(静态)电压。悬臂的执行器由该信号驱动。”
人工耳蜗反馈回路产生的反馈信号最终会改变单个悬臂探测声音的方式，例如调节其增益、灵敏度和带宽。悬臂梁的增益也可以被调谐为非线性，这意味着它将改变ba通过它拾取到的声音的振幅来判断。这意味着安静的声音可以被放大，而更大的声音可以被抑制，确保所有录制的声音都能被人类听众察觉到。
“由于每个悬臂只对声音的特定频率范围作出反应，因此可以使用一组悬臂来将信号分解为不同频率的响应，类似于在人耳中完成的方式，”Lenk说。“此外，每个悬臂的检测特性可以单独调整，因此我们可以改变不同音调的感知方式。所有这些特性加在一起，音调特定响应、非线性响应和通过反馈调整响应，使系统具有很强的适应性。”
Lenk和她的同事介绍的微机电耳蜗的高适应性对于现实世界的应用来说是非常有利的，因为不同的环境(例如，安静的房间，火车站，商场等)可能有不同数量的背景噪音。通过调制悬臂的声音感应特性，他们的系统可以比传统麦克风接收更多的声音，传统麦克风具有固定的特性。
当麦克风在周围环境中录制声音时，需要使用专门的软件对其录音进行深入分析，以检测一些较安静的信号，特别是如果声音是在拥挤和嘈杂的环境中录制的。另一方面，研究人员创造的自适应耳蜗可以在早期阶段(即，当它记录信号时)应用变化并过滤掉声音。这可以简化一些现实世界的应用，包括语音识别，提高这些系统在嘈杂环境中收集声音的分类能力。
Lenk说:“我们通过一个非常简单和快速的反馈回路，成功地在传感器中直接实现了人类听觉的特性。”“这有两大含义。首先，该系统具有快速的适应性，这是非常重要的重要的应用在各种情况下。耳蜗的仿生特性也有助于突出它重要的信息，比如声音何时开始或特定的音调，这应该有助于使处理(例如，语音检测)更快、更有效(即，处理所需的更小的神经网络)。”
该团队的人工耳蜗的另一个优点是它很容易适应并融入一个更广泛的系统。例如，它可以用来开发性能更好的助听器、智能扬声器、安全系统等等。
Lenk解释说:“建造这种受生物启发的特性的其他方法更复杂。”“这使得它们更难扩展到助听器、智能扬声器等设备的完整听力范围，而且它们通常不支持适应。”
听力损失通常是由内耳毛细胞的损失引起的，这反过来又限制了听到特定声音的能力。由于Lenk和她的同事引入的新型人工耳蜗复制了毛细胞的功能，该团队目前正在评估其制造性能更好的助听器的潜力。
“我们的下一步将是建立一个覆盖整个听力范围的系统，并将MEMS耳蜗与神经网络结合起来进行处理，”Lenk补充说。后者对于自动适应和强调重要的声音(如语音)很重要。该系统将用于我们的新项目NeuroSensEar的助听器中。”
更多信息:Claudia Lenk等人，利用集成反馈的自适应微机电耳蜗进行神经形态声学传感，《自然电子》(2023)。DOI: 10.1038/s41928-023-00957-5期刊信息:Nature Electronics
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引用:一种可增强助听器性能的自适应人工耳蜗(2023,May 30) 2023年5月30日检索自https://techxplore.com/news/2023-05-artificial-cochlea-aids.html本文档 作品受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。的有限公司 内容仅供参考之用。
