“人類作為傲慢的動物，按照自己的耳朵設計了麥克風——但這不一定是最好的方法，” 賓厄姆頓大學的機械工程師羅恩·邁爾斯說。
邁爾斯認為，為什麼不以根本沒有耳朵的生物為模型來設計麥克風呢？在渥太華舉行的美國聲學學會會議上，邁爾斯在週四的演講中描述了借鑑蜘蛛的聲學原理如何改變未來聲音錄製技術。
大約150年前，一位名叫赫爾曼·馮·亥姆霍茲的德國物理學家弄清了人類耳朵處理聲音的第一步：空氣中的壓力波以不同的頻率振動鼓膜，啟用大腦用於創造聽覺體驗的電訊號。不到十年後，發明家埃米爾·貝利納獲得了基於相同原理的麥克風專利，用一張繃緊的金屬振膜代替了鼓膜的鼓室膜。
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這些基於壓力的裝置已經很好地為我們服務了一個多世紀，但是今天我們新增到無數小工具中的麥克風需要比以往任何時候都更小、更靈敏、更清晰。邁爾斯解釋說，當基於壓力的麥克風被微型化到一定程度時——例如，用於手機或智慧手錶——它就會變得“嘈雜”。振膜越小，就越容易被漂浮在空氣中的遊離分子所擾動。換句話說，麥克風裝置本身對背景噪聲非常敏感，以至於後者會淹沒所需的聲音。
邁爾斯說，堅持基於壓力的模型可能會阻礙麥克風技術的發展。“如果你想製造一些小的東西，你應該考慮小動物是如何做到的，”他說。它們擁有數百萬年的進化研發優勢。
許多節肢動物，包括蚊子和蜘蛛，根本沒有感知聲音壓力波的器官。相反，它們探測由聲音產生的氣流：它們身體上的特殊絨毛感知空氣粒子的速度和方向，因為這些粒子被聲波捲起。正如邁爾斯和他的團隊在2022年發現的那樣，一些蜘蛛甚至完全將聽覺外包給它們的蜘蛛網：聲音的氣流導致絲狀物振動，蜘蛛可以透過觸覺感知到。
在這一發現之後，研究人員開始著手確定，基於氣流的探測器是否真的能夠感知和區分人類使用的麥克風所需的頻率範圍——而不僅僅是那些引起飢餓蜘蛛興趣的頻率。賓厄姆頓團隊從被稱為橋蛛的圓蛛（它們恰好生活在大學的自然保護區）身上提取了蛛絲，並使用雷射測振儀記錄了它們對不同聲音訊率的反應。
普通人可以聽到大約20赫茲（或每秒週期）到20千赫茲的聲音——而蜘蛛絲被證明對從1赫茲到50千赫茲的所有頻率都有反應。“這是一個更大的範圍，比任何[現有的、基於壓力的]麥克風都好，”邁爾斯解釋說。“它的頻率響應基本上是完美的。”
由於在我們的手機中使用小塊蜘蛛絲是不切實際的，邁爾斯和他的團隊正在努力開發一種模擬該物質特性的矽晶片。“我們不用絲線，而是製造懸臂樑，”他解釋說。“它們就像小跳水板，但只有半微米厚。”
對這些晶片的測試，於四月發表在《美國聲學學會雜誌》上，表明基於流動的微型麥克風在微型化時不會像基於壓力的麥克風那樣遭受相同的“效能損失”。“這是一個令人愉快的驚喜，”該研究的主要作者，賓厄姆頓聲學工程師賴俊鵬說。“如果懸臂樑足夠薄，尺寸就無關緊要。如果你把它做得小10倍，聲音保真度也是一樣的。”
牛津大學的進化生物學家弗裡茨·沃爾拉斯說，雖然我們離基於蜘蛛技術的麥克風還有數年之遙，但邁爾斯和賴的研究結果“優雅地”展示了蛛絲看似無窮無盡的應用，他研究蜘蛛及其蜘蛛網已有近50年。在他的職業生涯中，沃爾拉斯見證了蛛絲啟發了材料科學、軟體機器人、神經再生以及光學和化學感測等不同學科的進步。
“我們太習慣於日常生活中這種奇蹟，以至於我們不再質疑它，”沃爾拉斯說。“當你開始研究它時，你就會開始意識到蜘蛛網真的有多麼精密複雜。”