蜘蛛传感器：蜘蛛腿器官启发新的声音探测器

蜘蛛通过身体上的毛发和腿上的裂缝状缝隙“听到”彼此和周围环境的声音。这些毛发和缝隙器官可以捕捉空气中的微小振动，帮助它们探测运动，例如帮助它们找到猎物或潜在的配偶。

这种特殊的缝隙器官有时被称为琴状器官，具有平行的缝隙，看起来像七弦琴或其他弦乐器的弦。它们会根据微小的外力移动和变形。首尔国立大学的 Daeshik Kang 和 Mansoo Choi 及其同事想知道他们是否可以模仿这种反应来制造一种灵活、微小且非常灵敏的声音探测器。他们的研究结果今天发表在《自然》杂志上。

科学家团队不断研发新型微型电子产品，这些产品有望帮助人们追踪健康状况、监控基础设施以及完成一系列其他任务。但要研发出既耐用又灵活、对振动高度敏感的产品却并非易事。

Kang 和同事们制作了一层薄薄的铂膜，其中嵌入了裂缝，并铺在柔软的聚合物基底上。这些裂缝的设计模仿了蜘蛛腿上的琴状裂缝器官。就像蜘蛛一样，铂裂缝在机械应变（如声波引起的振动）下会变形和伸展。该装置连接到电流，电流只流过铂。

为了测试其作为声音探测器的性能，研究人员首先将铂金传感器安装到小提琴上，位于乐器右侧 f 孔的正上方。这些孔使振动空气从乐器中逸出，发出悦耳的声音。

一位小提琴手演奏了埃尔加的《爱的祝福》中的一段，微型蜘蛛传感器随之振动。它的运动被转换成数字信号，研究人员制作了一个频谱图，你可以在视频中看到。传感器正确地记录了乐曲中每个音符的谐波频率。

由于这种方法效果很好，团队接下来转向人类语音。他们将传感器贴在 10 名人类志愿者的脖子上，并要求他们对着麦克风说“走”、“跳”、“射击”和“停止”这些词——视频游戏中的命令——超过 10 次。然后他们将麦克风的录音与蜘蛛侠传感器的录音进行了比较。当研究人员同时播放背景噪音时，麦克风的频谱图信号变得非常嘈杂，但裂缝传感器仍然保持准确。

这模仿了一种被称为“鸡尾酒会效应”的现象，即我们的大脑能够过滤掉不必要的背景噪音，并专注于单一来源——这是麦克风通常无法做到的。最后，研究人员将蜘蛛传感器连接到志愿者的手腕上，以监测心率。

他们还尝试使用镀金传感器进行这些实验，但效果不佳；铂金在最小尺度上具有一些特定的裂纹行为，使其更有效。作者表示，经过一些调整，基于铂金的传感器可以变得更加准确。

蜘蛛如何使用自己的器官？工程师 Peter Fratzl 在今天与 Choi 和 Kang 的论文同时发表的一篇透视文章中解释说，流浪蜘蛛Cupiennius salei用嘴和腹部刮叶子。潜在的配偶可以使用其琴状器官感知这些动作。

正如 Fratzl 指出的那样，受蜘蛛启发的传感器性能令人印象深刻 - 但距离真实传感器还有很长的路要走。

他写道：“我们距离研制出一种性能与蜘蛛器官相似的人工感官系统还很遥远，蜘蛛器官的进化可以追溯到螯肢亚纲节肢动物的起源，比人类的存在时间长 1,000 倍。”

引文：Kang, D. 等人。2014 年 12 月 11 日。受蜘蛛传感系统启发的超灵敏机械裂纹传感器。Nature 516:222。DOI：10.1038/nature14002