ميكروفون MEMS مصفوفة رنانات رقيقة بيزوإلكتريك قابلة للضبط مستوحى من قوقعة الأذن: دراسة شاملة

الاستماع مثل الأذن الداخلية

تعتمد الأجهزة الحديثة—من سماعات الأذن إلى المتكلمين الأذكياء—على ميكروفونات صغيرة تحول الصوت إلى إشارات كهربائية. ومع ذلك، لا تزال آذاننا الداخلية تتفوق على معظم هذه الأجهزة، لا سيما في فصل الأصوات الخافتة ضمن بيئات صاخبة ومتغيرة باستمرار. تصف هذه الورقة شريحة ميكروفون جديدة مستوحاة مباشرة من ميكانيكا القوقعة البشرية، العضو الحلزوني في أذننا الداخلية، وتعد بتمكين المعينات السمعية وأجهزة الاستشعار المستقبلية من "الضبط" الذاتي بطريقة مشابهة للسمع الطبيعي.

من حلزون الأذن إلى العوارض الدقيقة

في أذن الثدييات، تحفز الموجات الصوتية موجات على الغشاء القاعدي داخل القوقعة. تستجيب مواضع مختلفة على هذا الغشاء بقوة أكبر لتردُّدات معينة، فتنشئ خريطة ترددية مدمجة: النغمات العالية تبلغ ذروتها قرب القاعدة، والنغمات المنخفضة قرب القمة. يعيد الباحثون إنشاء هذه الفكرة باستخدام مصفوفة من أربعة رِدَنايات دقيقة—عوارض رقيقة من السيليكون—على شريحة. كل رِدْنَاء يختلف قليلاً في الطول، بحيث يرنين كل على تردُّد مختلف ضمن حزمة الكلام المهمة حول 1.8 إلى 2.3 كيلو هرتز. عندما ينحني رِدْنَاء بفعل ضغط الصوت، تُنتج طبقة بيزوإلكتريك خاصة موضوعة فوقه جهدًا كهربائيًا، تمامًا كما تحول خلايا الشعر الداخلية في الأذن الحركة إلى إشارات عصبية.

استعارة خدعة الضبط الذاتي من الأذن

السمع البشري ليس مجرد كاشف سلبي. خلايا الشعر الخارجية في القوقعة تغير طولها بنشاط استجابةً لإشارات كهربائية، مما يجعل أجزاء من الغشاء القاعدي أكثر صلابة أو أقل صلابة. هذا يزيد الحساسية للأصوات الضعيفة ويمنع التشبع للأصوات العالية. يقلد الميكروفون الجديد هذا السلوك القابل للضبط الذاتي باستخدام نفس فيلم البيزوإلكتريك الذي يقوم بالاستشعار. عند تطبيق مجال كهربائي عبر أقطاب منتقاة على رِدْنَاء، يتحمل الفيلم انفعالًا طفيفًا يغير الصلابة الفعالة للرِدْنَاء. عبر تشغيل هذا التأثير بإشارة "ضخ" متذبذبة، يمكن للباحثين زيادة أو خفض حدة رنين الرِدْنَاء—تقنياً معامل الجودة أو Q—دون تغيير البنية الفيزيائية.

طريقتان لتوجيه الاهتزاز

يقدم الجهاز مسارين تكييفيين مميزين. في الأول، تُطبَّق إشارة ضخ كهربائية مباشرة على نفس الرِدْنَاء المستمع للصوت. تتدفق هذه الطاقة الكهربائية، عندما تُزامَن بعلاقات معينة مع ترددات اهتزاز الرِدْنَاء الطبيعية، إلى داخل الحركة أو خارجها. اعتمادًا على تردد و قوة الضخ، يمكن تضييق قمة الرنين وتقليلها (موزعة الحساسية على نطاق ترددي أوسع) أو، في أوضاع أخرى، شَحْذها في ظروف مختلفة. في المسار الثاني، يستخدم التصميم بروزًا ميكانيكيًا دقيقًا بحيث ترتبط الرِدَوْنَة المجاورة بضعف. يمكن عندها أن يغذي تنشيط رِدْنَاء كهربائيًا الطاقة عبر هذا الاقتران إلى الجيران، معيدًا تشكيل كيفية توزيع الطاقة عبر المصفوفة وضابطًا بذلك حدة استجابة كل رِدْنَاء للصوت.

أداء مقاس على شريحة

لاختبار الفكرة، صنّع الفريق الميكروفون باستخدام تقنيات أشباه الموصلات القياسية: رقاقة سيليكون على عازل، فيلم بيزوإلكتريك رقيق من نيتريد الألمنيوم، وأقطاب معدنية منقوشة. في قياسات صوتية مضبوطة بعناية، أظهر كل رِدْنَاء قمة رنين خاصّة وحساسية عالية، محولًا ضغوط صوتية صغيرة إلى جهود قابلة للقياس مع ضوضاء منخفضة. والأهم من ذلك، عند تشغيل إشارات الضخ، أمكن ضبط معامل الجودة الفعّال للرِدْنَاء عبر نطاق واسع—من تخفيضه بأكثر من النصف إلى تكثيفه تقريبًا لثلاثة أضعاف—بينما ظل تردد الرنين نفسه شبه ثابت. هذا يعني أن الجهاز الصغير نفسه يمكن أن يتصرف كمنخل ترددي حاد عند الحاجة، أو كمستمع أعرض وأكثر تسامحًا في حالات أخرى.

لماذا هذا مهم لمستقبل السمع

للمستخدمين اليوميين، الخلاصة بسيطة: هذا الميكروفون قادر على التكيف. في البيئات الهادئة يمكن أن يتصرف مثل خلايا الشعر الخارجية لدينا، مشددًا ترددات محددة لانتزاع الأصوات الضعيفة من الخلفية. في البيئات الصاخبة أو غير المتوقعة، يمكن أن يوسّع استجابته عمدًا لتجنب التشبع والتقاط سياق أوسع. وبما أن الجهاز مبني بمواد وتقنيات صديقة للشريحة، فيمكن، من حيث المبدأ، دمجه مع إلكترونيات مدمجة وخوارزميات ذكية لتكوين نظام استشعار مغلق الشّكل شبيه بالأذن. بينما يركز النموذج الأولي الحالي على نطاق ضيق مرتبط بالكلام، يمكن تمديد نفس مبادئ التصميم عبر النطاق الكامل للسمع البشري. ويمكن أن تكون النتيجة جيلًا جديدًا من أجهزة السمع، وزرعات القوقعة، وأجهزة الاستشعار الصوتية الذكية التي تستمع أكثر كأنها نحن—تضبط نفسها في الوقت الحقيقي للأصوات الأكثر أهمية.

الاستشهاد: Zheng, Z., Ke, Q., Luo, H. et al. A cochlea bio-inspired tunable piezoelectric cantilever array MEMS microphone: comprehensive study. Microsyst Nanoeng 12, 112 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01232-1

الكلمات المفتاحية: ميكروفون مستوحى من الطبيعة, MEMS بيزوإلكتريك, مستشعر مستوحى من القوقعة, معينات سمعية, رنان قابل للضبط