一种可以增强助听器性能的自适应人工耳蜗

近年来，电子工程师受人类和动物生物学的启发开发了范围广泛的系统。通过密切复制复杂的生物过程，这些系统最终可以更可靠、更有效地解决许多现实世界的问题。

伊尔梅瑙工业大学、基尔大学、科克大学、卡尔斯鲁厄理工学院和伊尔梅瑙弗劳恩霍夫数字媒体技术研究所的研究人员最近创造了一种新的微机电传感器，其灵感来自耳蜗，人内耳中产生神经冲动的螺旋形空腔响应声音振动。NatureElectronics介绍的这种人工耳蜗可以在嘈杂的环境中比简单的麦克风更有效地处理声音和检测单个信号。

“这项研究的想法是构建人造毛细胞，类似于内耳中的毛细胞，它负责人耳中的声音检测，”该论文的第一作者克劳迪娅·伦克(ClaudiaLenk)告诉TechXplore。“我们的灵感来自BryanJoyce等人之前的工作，他们使用具有复杂反馈的悬臂来实现毛细胞的特定特性。我们认为我们可以非常容易和高效地创建人造毛细胞，因为我们有一个特定的类型悬臂梁(硅梁)，可以完全电子读出和驱动。”

人耳和其他哺乳动物耳朵的工作方式与传统麦克风截然不同。由于麦克风同时检测声音信号的所有音调(即频率)，因此它们拾取的响亮音调有时会掩盖较安静的音调。另一方面，耳朵包含不同的毛细胞，负责检测不同的音调(即不同频段的声音信号)。

“耳朵中的毛细胞可以单独调整，特别是检测增益，因此可以调整每个音调的检测方式，”Lenk解释说。“这很重要，例如，如果我们想将语音与背景信号分开。在这种情况下，属于语音信号的音调的增益会很高，而背景信号的增益会很低。这样，背景和语音就可以更容易分开。”

Lenk和她的同事创造的微机电耳蜗有两个关键组成部分。第一个包括一系列小型硅悬臂，设计用作人造毛细胞，检测来自周围环境的声音信号。第二个是反馈回路，可以单独调整每个悬臂的检测特性。

Lenk说：“如果声音撞击，悬臂就会振动，这种振动是通过集成读出系统作为电子信号测量的。”“每个悬臂还包含一个致动器。如果我们在致动器上施加电压，它会迫使悬臂弯曲或振荡，具体取决于施加的信号。对于反馈回路：测量信号被放大，偏移(静态)电压添加。悬臂的执行器由该信号驱动。”

人工耳蜗反馈回路产生的反馈信号最终会改变单个悬臂检测声音的方式，例如调制其增益、灵敏度和带宽。悬臂梁的增益也可以调整为非线性的，这意味着它会根据它拾取的声音的幅度而变化。这意味着可以放大更安静的声音，抑制更响亮的声音，确保所有录制的声音都能被人类听众检测到。

“由于每个悬臂仅对声音的特定频率范围做出反应，因此可以使用一系列悬臂将信号分解为不同频率的响应，类似于人耳的处理方式，”Lenk说。“此外，每个悬臂的检测特性都可以单独调整，因此我们可以改变感知不同音调的方式。所有特性，音调特定响应，非线性响应和通过反馈调整响应，使系统具有高度适应性。”

Lenk和她的同事介绍的微机电耳蜗的高适应性可能对现实世界的应用极为有利，因为不同的环境(例如，安静的房间、火车站、购物中心等)可能具有不同数量的背景噪音.通过调节悬臂的声音传感特性，他们的系统能够比具有固定特性的传统麦克风接收到更多的声音。

当麦克风录制周围环境的声音时，需要使用专门的软件对其录音进行深入分析，以检测一些较安静的信号，特别是如果声音是在拥挤和嘈杂的环境中录制的。另一方面，研究人员创造的自适应耳蜗可以在早期阶段(即在记录信号时)应用变化并过滤掉声音。这可以简化一些现实世界的应用，包括语音识别，提高这些系统对在嘈杂环境中收集的声音进行分类的能力。

“我们通过一个非常简单和快速的反馈回路，成功地直接在传感器中实现了人类听觉的特性，”Lenk说。“这有两大意义。首先，该系统具有快速适应性，这对于在各种情况下的应用非常重要。耳蜗的仿生特性还有助于突出重要信息，例如声音何时开始或特定音调，这应该有助于使处理(例如，语音检测)更快、更高效(即，处理所需的神经网络更小)。”

该团队的人工耳蜗的另一个优势是易于适应并融入更广泛的系统。例如，它可用于开发性能更好的助听器、智能扬声器、安全系统等。

“其他构建此类仿生特性的方法更为复杂，”Lenk解释说。“这使得它们更难扩展到完整的听力范围，以用于助听器、智能扬声器等设备，而且它们通常不支持自适应。”

听力损失通常是由内耳内的毛细胞损失引起的，这反过来又限制了听到特定声音的能力。由于Lenk和她的同事推出的新型人工耳蜗复制了毛细胞的功能，该团队目前正在评估其创造性能更好的助听器的潜力。

“我们的下一步将是建立一个覆盖整个听力范围的系统，并将MEMS耳蜗与神经网络结合起来进行处理，”Lenk补充道。“后者对于实现自动适应和强调重要声音(如语音)很重要。该系统将开发用于我们新项目NeuroSensEar中的助听器。”