El hilo de telaraña inspira los micrófonos ultrapequeños
La grabación de sonido podría seguir el ejemplo de la acústica de los arácnidos
Wolfgang Kaehler/LightRocket vía Getty Images
“Los humanos, al ser animales arrogantes, diseñaron el micrófono según sus propios oídos, pero esa no es necesariamente la mejor manera de hacerlo”, dice Ron Miles, ingeniero mecánico de la Universidad de Binghamton.
En cambio, sostiene Miles, ¿por qué no modelar micrófonos en una criatura sin oídos? En una presentación en la reunión de la Sociedad Estadounidense de Acústica en Ottawa el jueves, Miles describió cómo siguiendo el ejemplo de la acústica de los arácnidos podría alterar el futuro de la grabación de sonido.
Hace unos 150 años, un médico alemán llamado Hermann von Helmholtz descubrió el primer paso en cómo el oído humano procesa el sonido: las ondas de presión en el aire hacen vibrar el tímpano a diferentes frecuencias, activando señales eléctricas que utiliza el cerebro. para crear la experiencia de escuchar. Menos de una década después, el inventor Emile Berliner patentó un micrófono que funciona según el mismo principio, con un diafragma metálico tenso en lugar de la membrana timpánica del tímpano.
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Estos dispositivos basados en presión nos han servido bien durante más de un siglo, pero los micrófonos que agregamos a innumerables dispositivos hoy en día deben ser más pequeños, más sensibles y más claros que nunca. Y cuando un micrófono basado en presión se miniaturiza hasta cierto punto (por ejemplo, para un teléfono celular o un reloj inteligente), se vuelve “ruidoso”, explica Miles. Cuanto más pequeño es el diafragma, más fácilmente lo sacuden las moléculas perdidas que flotan en el aire. En otras palabras, el propio aparato de micrófono es tan sensible al ruido de fondo que éste puede ahogar los sonidos deseados.
Miles dice que apegarse al modelo basado en la presión puede estar frenando la tecnología de los micrófonos. “Si quieres hacer algo pequeño, debes pensar en cómo lo hacen los animales pequeños”, dice. Tienen la ventaja de millones de años de I+D evolutivo.
Muchos artrópodos, incluidos los mosquitos y las arañas, no tienen órganos que perciban en absoluto las ondas de presión de un sonido. En lugar de eso, detectan el flujo de aire generado por un sonido: los pelos especializados de su cuerpo detectan la velocidad y la dirección de las partículas de aire cuando esas partículas son barridas por una onda sonora. Y como Miles y su equipo encontró en 2022, algunas arañas incluso completamente subcontratar la audiencia a su web: el flujo de aire de los sonidos hace que las hebras sedosas vibren, lo que los arácnidos pueden sentir a través del tacto.
Después de este descubrimiento, los investigadores se propusieron determinar si un detector basado en el flujo de aire podría realmente detectar y distinguir entre el rango de frecuencias necesarias para un micrófono de uso humano, no sólo aquellas que interesan a las arañas hambrientas. El equipo de Binghamton tomó hebras de seda de arácnidos tejedores de orbes llamados arañas puente (que viven convenientemente en la reserva natural de la universidad) y utilizó un vibrómetro láser para registrar cómo respondían a diferentes frecuencias de sonido.
El ser humano promedio puede escuchar sonidos desde aproximadamente 20 hercios, o ciclos por segundo, hasta 20 kilohercios, y la seda de araña demostró responder desde 1 Hz hasta 50 kHz. “Es una gama mucho más grande, mejor que cualquier [existing, pressure-based] micrófono”, explica Miles. “Su respuesta de frecuencia fue básicamente perfecta”.
Como no sería práctico tener pequeños fragmentos de seda de araña en nuestros teléfonos, Miles y su equipo están trabajando para desarrollar un chip de silicio que simule las propiedades de la sustancia. “En lugar de hilos, fabricamos vigas en voladizo”, explica. “Son como pequeños trampolines, pero de medio micrón de espesor”.
Una prueba de estos chips, publicado en abril en el Revista de la Sociedad Acústica de América, indica que las versiones pequeñas de micrófonos basados en flujo no sufren la misma “penalización de rendimiento” que los micrófonos basados en presión cuando están miniaturizados. “Fue una sorpresa agradable”, dice el ingeniero acústico de Binghamton, Junpeng Lai, autor principal del estudio. “Si el voladizo es lo suficientemente delgado, el tamaño no importa. Si lo construyes 10 veces más pequeño, la fidelidad del sonido es la misma”.
Aunque todavía faltan años para que existan micrófonos basados en tecnología arácnida, los hallazgos de Miles y Lai son una demostración “elegante” de las aparentemente infinitas aplicaciones de la seda de araña, dice Fritz Vollrath, biólogo evolutivo de la Universidad de Oxford, que ha estudiado las arañas. y sus redes durante casi 50 años. A lo largo de su carrera, Vollrath ha visto cómo la seda de araña inspira avances en disciplinas tan dispares como la ciencia de materiales, la robótica blanda, la regeneración nerviosa y la detección óptica y química.
“Estamos tan acostumbrados a esta maravilla en la vida cotidiana que no la cuestionamos”, afirma Vollrath. “Cuando empiezas a estudiarlo, empiezas a darte cuenta de lo increíblemente sofisticada que es realmente la Web”.