Una cóclea artificial adaptativa que puede mejorar el rendimiento de los audífonos

En los últimos años, los ingenieros electrónicos han desarrollado una amplia variedad de sistemas inspirados en la biología humana y animal. Al mapear de cerca procesos biológicos complejos, estos sistemas podrían finalmente resolver numerosos problemas del mundo real de una manera más confiable y eficiente.

Investigadores de Technische Universität Ilmenau, Kil University, University College Cork, Karlsruher Institute of Technology y Fraunhofer Institute for Digital Media Technology Ilmenau crearon recientemente un nuevo sensor microelectromecánico inspirado en la cóclea, una cavidad espiral en el oído interno humano que genera impulsos nerviosos en respuesta a las vibraciones sonoras. Este caracol artificial, introducido en Electrónica de la naturalezapuede procesar sonidos y detectar señales individuales en entornos ruidosos con mayor eficacia que los micrófonos comunes.

“La idea detrás del estudio era construir células ciliadas artificiales, similares a las células ciliadas del oído interno, que son responsables de detectar el sonido en el oído humano”, dijo Claudia Lenk, autora principal del artículo, a Tech Xplore. “Nos inspiramos trabajo previo de Bryan Joyce et al., que utilizó brackets de retroalimentación compleja para obtener las propiedades específicas de las células ciliadas. Pensamos que podíamos crear células ciliadas artificiales con bastante facilidad y eficiencia porque tenemos un tipo específico de soportes (paquetes de silicona) que se pueden leer y accionar de forma completamente electrónica”.

El oído humano y los oídos de otros mamíferos funcionan de manera muy diferente a los micrófonos convencionales. Dado que los micrófonos detectan simultáneamente todos los tonos (es decir, frecuencias) de una señal de sonido, los tonos fuertes que captan a veces pueden enmascarar los tonos más suaves. Por otro lado, los oídos contienen diferentes células ciliadas que se encargan de detectar diferentes tonos (es decir, señales de sonido en diferentes bandas de frecuencia).

“Las células ciliadas en los oídos se pueden ajustar individualmente, en particular la ganancia de detección y, por lo tanto, se puede ajustar cómo se detecta cada tono”, explicó Lenk. “Esto es importante si queremos separar, por ejemplo, el habla de la señal de fondo. En este caso, la amplificación sería alta para los tonos de voz y baja para las señales de fondo. De esta manera, el fondo y el habla se pueden separar mucho más fácilmente”.

El sinfín microelectromecánico creado por Lenk y sus colegas consta de dos componentes clave. El primero consiste en una serie de pequeños voladizos de silicio diseñados para actuar como células ciliadas artificiales que detectan señales de sonido del entorno circundante. El segundo es un circuito de retroalimentación que ajusta las propiedades de detección de cada paréntesis individualmente.

“Los soportes oscilan si golpea un sonido, y esta oscilación es medida por el sistema de detección integrado como una señal electrónica”, dijo Lenk. “Cada soporte también contiene un actuador. Si aplicamos un voltaje al actuador, obligará al voladizo a doblarse u oscilar, dependiendo de la señal aplicada. Para un circuito de retroalimentación: la señal medida se amplifica y se agrega un voltaje desequilibrado (estático). El actuador voladizo está controlado por esta señal”.

La señal de retroalimentación producida por el bucle de retroalimentación de la cóclea artificial cambia en última instancia la forma en que los voladizos individuales detectan el sonido, por ejemplo, al modular su ganancia, sensibilidad y ancho de banda. La ganancia en voladizo también se puede ajustar para que no sea lineal, lo que significa que variará según la amplitud de los sonidos recibidos. Esto significa que los sonidos más suaves se pueden amplificar y los sonidos más fuertes se pueden atenuar, lo que garantiza que todos los sonidos grabados sean detectables por humanos.

“Dado que cada voladizo solo responde a un rango específico de frecuencias de audio, se puede usar una serie de voladizos para descomponer la señal en respuestas para diferentes frecuencias, similar a lo que sucede en el oído humano”, dijo Lenk. “Además, las propiedades de detección de cada voladizo se pueden ajustar individualmente, por lo que podemos cambiar la forma en que detectamos diferentes tonos. Todas las propiedades juntas, la respuesta de tono específico, la respuesta no lineal y el ajuste de retroalimentación hacen que el sistema sea muy flexible”.

La alta adaptabilidad de la barrena microelectromecánica presentada por Lenk y sus colegas podría ser extremadamente beneficiosa en aplicaciones del mundo real, ya que diferentes entornos (por ejemplo, una habitación tranquila, una estación de tren, un centro comercial, etc.) pueden tener diferentes niveles de ruido de fondo. Al modular las propiedades de detección de sonido de los voladizos, su sistema podría captar mucho más sonido que los micrófonos convencionales, que tienen propiedades fijas.

Cuando los micrófonos captan sonidos en su entorno, sus grabaciones deben analizarse minuciosamente con un software especializado para detectar algunas de las señales más silenciosas, especialmente si los sonidos se grabaron en un entorno concurrido y ruidoso. Sin embargo, la cóclea adaptativa desarrollada por los investigadores puede realizar cambios y filtrar sonidos en una etapa anterior (es decir, durante la grabación de señales). Esto podría simplificar varias aplicaciones del mundo real, incluido el reconocimiento de voz, al mejorar la capacidad de estos sistemas para clasificar los sonidos recopilados en entornos ruidosos.

“Implementamos con éxito las propiedades de la audición humana directamente en el sensor utilizando un circuito de retroalimentación bastante simple y rápido”, dijo Lenk. “Esto tiene dos grandes implicaciones. En primer lugar, el sistema se puede adaptar rápidamente, lo cual es muy importante para aplicaciones en diferentes situaciones. Las propiedades bioinspiradas de la cóclea también ayudan a resaltar información importante, como cuándo comienza un sonido o ciertos tonos, lo que debería ayudar a que el procesamiento (por ejemplo, la detección del habla) sea más rápido y eficiente (es decir, las redes neuronales más pequeñas necesarias para el procesamiento).

Otra ventaja del sinfín artificial del conjunto es que se puede adaptar e integrar fácilmente en un sistema más amplio. Por ejemplo, se puede utilizar para desarrollar audífonos más eficientes, altavoces inteligentes, sistemas de seguridad, etc.

“Otros enfoques para construir tales propiedades bioinspiradas son más complejos”, explicó Lenk. “Esto los hace más difíciles de escalar a la gama completa de audición para su uso en dispositivos como audífonos, parlantes inteligentes, etc. Y, por lo general, no admiten la adaptación”.

La pérdida de audición generalmente es causada por la pérdida de células ciliadas en el oído interno, lo que a su vez limita la capacidad de escuchar ciertos sonidos. Como la nueva cóclea artificial presentada por Lenk y sus colegas recrea la función de las células ciliadas, el equipo actualmente está evaluando su potencial para crear audífonos con mejor desempeño.

“Nuestro próximo paso será construir un sistema que cubra todo el rango auditivo y combinar la cóclea MEMS con redes neuronales para el procesamiento”, agregó Lenk. “Esto último es importante para permitir la adaptación automática y enfatizar sonidos importantes como el habla. Este sistema se desarrollará para su uso en audífonos en nuestro nuevo proyecto NeuroSensEar“.

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