研究人员说，昆虫的耳朵启发了微型 3D 打印麦克风的设计，这种麦克风可以确定声音的方向，取代目前用于此类目的的体积大得多、耗能大的设备。

昆虫的耳朵有一层薄薄的组织，称为鼓膜，很像人类的耳膜。声波使该膜振动，耳朵内的感觉器官将这些振动转化为神经信号。

虽然昆虫的鼓膜通常只有一毫米左右宽，但昆虫具有听觉的能力，而目前需要更大尺寸的设备。例如，为了确定枪声来自哪个方向，Raytheon 的车载Boomerang系统依赖于大约半米宽的麦克风阵列。相比之下，夜行蛾Achroia grisella也可以识别声音来自哪个方向，并且只需一个只有半毫米宽的鼓膜就可以做到这一点。（飞蛾可能进化出这种技能来检测掠食性蝙蝠和超声波求偶叫声。）

为了模仿昆虫耳朵的功能，科学家们首先尝试用硅微机电系统(MEMS) 复制昆虫结构。然而，格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的电气工程师安德鲁·里德 ( Andrew Reid)说，由此产生的设备缺乏灵活性和在真正的昆虫耳朵中看到的微观 3D 结构变化，这些变化有助于它们听得很好。

现在，里德和他的同事们正在试验 3D 打印，以更忠实地复制昆虫的耳朵。他在 5 月 10 日于芝加哥举行的美国声学学会年会上详细介绍了他的团队的研究。该研究建立在该团队早期的工作之上，以了解昆虫如何拥有如此出色的定向听觉。

研究人员用 3D 打印了多种膜来复制一系列昆虫的鼓膜。这些膜的基础材料通常是柔性水凝胶，例如聚乙二醇二丙烯酸酯。Reid 说，薄膜通常还包括一种压电材料，例如被称为PMN-PT的钙钛矿氧化物晶体，它可以将声能转化为电信号，以及导电的银基化合物。

为了提高这些合成膜的压电性能，科学家们使它们更加多孔，模仿有时在昆虫鼓膜中看到的孔隙率。他们将甲醇溶解到 3D 打印树脂中，随着树脂固化，它不再溶于甲醇。这导致甲醇在树脂内分离并形成液滴，形成孔的基础。

合成膜在厚度、孔隙率、密度和柔韧性方面的微观 3D 变化有助于它们表现得像高度灵敏和高效的声学传感器。他们的设计帮助他们以机械方式自动过滤声音，这意味着他们不需要相对笨重的数字声音处理器的功率和计算需求。

里德建议，受昆虫启发的麦克风可能会找到需要声音传感器的应用，以便在不消耗大量能量的情况下快速检测特定信号。此类设备在数据或硬件方面的要求也非常低。

此外，Reid 说，一种机械方法可以像沙漠蝗虫Schistocerca gregaria的耳朵一样精确地分离不同频率的声音，这将证明对人工耳蜗是有用的。人工耳蜗目前需要数字信号处理，包括接收声音，将其从模拟信号转换为数字信号，并在刺激听觉神经之前处理数字信号。所有这些步骤都会导致设备收听延迟。如果植入物可以机械地执行这种频率分离，“你可以大大减少延迟，”里德说。

关于昆虫鼓膜的微观结构变化如何帮助它们尽可能好地聆听，科学家们还有很多不了解的地方。里德说，关于这些变化中的每一种如何改善听力，存在着相互竞争的模型。

还不确定为什么孔隙率会提高膜的压电性能。孔将其余膜材料集中在一起的方式可能有助于将声能传递给压电纳米粒子，Reid 说。他补充说，这些孔还可以使膜更灵活，更容易接受声波。

Reid 说，目前可用的 3D 打印机的光学器件将合成膜特征的分辨率限制在大约 200 微米，并补充说，改进光学器件可能导致分辨率低于 10 μm。这可以进一步提高这些设备的性能。“我们迄今为止所做的工作仍然缺乏实用传感器设计的可靠概念证明，”Reid 说。