很高兴能够收到子鱼学长的邀请，来给大家讲讲“苍蝇麦克风”的故事。如果阐述不准确的地方，请各位读者不吝指正。因为这是一篇科普性质文章，我会尽量用通俗的话，把其中的道理讲清楚。如果读者想进一步了解其中的细节，完全可以就文中提到的关键词进行学术搜索。相信，定会获益匪浅。
1. Ormia Ochracea苍蝇的“超级耳朵”
有种苍蝇叫Ormia Ochracea，仅存在于美国德州和佛罗里达州。在1975年的时候，生物学家第一次发现，这种苍蝇是把自己的卵产在蟋蟀体内。苍蝇幼虫通过吃蟋蟀的身体，从而发育成熟。想想就极为残忍，自己的生存是以牺牲别人为代价。
对于苍蝇来说，要想代代不息，就要能找到适合产卵的蟋蟀。我们经常在夜里，听到蟋蟀的叫声。这是蟋蟀在吸引异性。同时，这样的叫声也吸引来了天敌。
让科学家感到惊讶的是，苍蝇能够在几公里或者十几公里的距离上对蟋蟀进行定向。仅仅是通过”听”！我们都清楚，空间定向的精度与传感器的物理尺寸密切相关。笼统来说，传感器空间物理尺寸越大，传感器定向能力越强。考虑苍蝇耳朵的尺寸和定向能力，就好比我们站在中国用双腿来判断地球另一端的地震究竟是发生在智利还是阿根廷。
可以说，在同样能量功耗前提下，苍蝇的“耳朵”是我们人类目前已知的最灵敏或者最先进的麦克风了。其实也很讲得通，人类的麦克风不过是最近一百年的事情，而苍蝇的“麦克风”早就进化迭代更新了数百万年了。
在1995年的时候，科学家发现了苍蝇超强耳朵的物理原理。
不同于人耳的一种振动模态。苍蝇的耳朵是一种跷跷板样的结构，有两种振动状态。第一种振动状态（如上图示）能够感受压强梯度，第二种振动状态能够感受压强强度。从而，自然而然实现了空间自适应滤波，也就是空间指向性。
然而，人类的耳朵跟绝大多数消费电子产品上的麦克风是一样的，都仅仅只是感受压强强度。所以，我们很难用单个耳朵或者麦克风来实现确定声音方向。
3.仿生学麦克风芯片
以上部分内容都不是我们实验室的工作，接下来从仿生学麦克风芯片的研发开始才是我们实验室的工作。从2000年开始，很多课题组就陆陆续续投入苍蝇仿生学麦克风芯片的研发。坦白来说，仿生学麦克风芯片的研发进展十分缓慢。大约在2014年的时候，我们实验室第一次采用压电材料实现了苍蝇麦克风。所采用的压电式的解决方案被IEEE评为最实际可行、最出色的苍蝇仿生学麦克风芯片。感兴趣的读者，可以进一步进行检索了解。这里，我就不展开解释了。这个项目带出来的博士生Michael一毕业就被楼氏声学挖走了。
这幅图片展示了我们实验室用压电材料做成的苍蝇麦克风。因为采用扫描电子束显微镜拍摄，所以图片呈现黑白色。
采用激光多普勒系统对芯片的本征振动模态进行测量之后，发现这种结构可以实现和苍蝇同样的两种振动模态。这正是我们想要的。另外， 在对其指向性效果测量后，其单个麦克风芯片的指向性是非常不错的。这里便不再赘述了。
这里插一点题外话，在2009年前后，楼氏声学引领着麦克风行业第一次实现了MEMS麦克风出货量超过传统驻极体电容式麦克风。但是，能够规模化量产的MEMS麦克风仅仅是全指性的电容式麦克风，这种状况已经持续十几年了。直到，最近几年密歇根大学走出来的Vesper公司第一次商业化了压电式MEMS麦克风。这让整个行业精神一振。所以，压电式MEMS麦克风是整个行业比较看好的未来发展方向。
4.应用、展望与思考
这种指向性麦克风的应用有很多。目前正在做的最典型的一个应用就是助听器。传统助听器主要采用全指向性的电容式麦克风，在嘈杂环境中很难实现鸡尾酒会效应。然而，采用指向性麦克风之后，这就变得容易得多。
此外，很多消费电子产品也非常青睐指向性麦克风。实验室之前一直与三星公司有着密切合作，这里就不便透露细节了。同时，国防方面的单兵作战系统也十分需要指向性麦克风，用于准确并迅速判断枪声的方向。
未来，我们实验室主要是打算在机械结构设计和压电材料上做出改进。比如说，第一代指向性麦克风是采用PZT的压电材料，第二代我们可能会尝试AlN作为压电材料。这一部分工作也是我目前正在做的。
我做这个项目，已经有好几个月时间了。最多的一些思考，就是关于人与自然的关系。人类很强大，但自然更强大。太多自然的奥秘，我们还未曾发现过。因而，敬畏自然，道法自然。
以上内容主要基于Neal A. Hall教授在2021年美国声学学会德州分会（http://www.texasacoustics.org/）研讨会上的演讲。
实验室简介：德克萨斯大学奥斯汀分校声学微机电系统实验室（UT Acoustic MEMS Lab）主要采用MEMS传感器技术解决声学领域的问题。实验室成立于2009年，在Neal Hall教授的领导下，实验室已经参与了众多项目，项目来源苹果公司、三星公司、美国宇航局……目前，实验室侧重于声学MEMS传感器的研发、应用、商业化。欢迎热爱声学或者微机电的同学加入实验室。实验室链接：https://sites.google.com/site/utacousticmems/
作者简介： 牛小宇，2019年本科毕业于中国海洋大学水声物理专业；之后，师从中科院声学所李晓东老师，主要从事物理声学中耦合混响时间和频散现象研究；再后，于2020年加入UT Acoustic MEMS Lab，在Neal Hall老师的指导下，攻读电气工程博士学位。科研兴趣在于声学微机电换能器的设计、研发与制造。目前，主要从事项目有，MEMS参量阵扬声器、MEMS多模态耦合指向性麦克风。LinkedIn：https://www.linkedin.com/in/xiaoyu-niu-b0178117a/
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