并不是只有工程師的大腦才有運(yùn)動(dòng)控制。事實(shí)上，大多數(shù)的人能夠每天四處走動(dòng)，都離不開世界上最精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的幫助，這種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)就存在于我們的內(nèi)耳中。

“內(nèi)耳是生物運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)最輝煌的成就，”弗吉尼亞大學(xué)從事聽覺研究的神經(jīng)學(xué)專家Jeffrey R. Holt博士說。內(nèi)耳含有作為機(jī)械換能器的毛細(xì)胞，它們能把來自聲音和頭部運(yùn)動(dòng)的機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電子信號(hào)后傳送給大腦。據(jù)Holt介紹，這些毛細(xì)胞的長(zhǎng)度通常不超過30mm，寬不超過5mm；作為體內(nèi)平衡系統(tǒng)的一部分，它們能夠感知小至0.1nm的頭部直線運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

“并且它們的速度快得驚人，”他說。人類聽覺覆蓋的頻率范圍大約從20Hz到20kHz，健康的毛細(xì)胞能夠在這樣的頻率范圍內(nèi)對(duì)聲誘位移做出反應(yīng)。某些哺乳類動(dòng)物甚至具有更高速的聽覺系統(tǒng)，覆蓋的頻率范圍最高可達(dá)150kHz。

毛細(xì)胞提供的速度和解析度對(duì)任何想保持直立或者想進(jìn)行對(duì)話交流的人來說都是一個(gè)好消息。但是，對(duì)于那些對(duì)內(nèi)耳工作方式感興趣的研究者來說，這些微小的毛細(xì)胞卻是一個(gè)巨大的工程問題，因?yàn)檫@些研究者們正試圖設(shè)計(jì)出能夠研究這種毛細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)換過程的

實(shí)驗(yàn)設(shè)備。Holt說，“由于我們?cè)谥圃熳銐蚩觳⒛軕?yīng)對(duì)納米級(jí)位移的實(shí)驗(yàn)和測(cè)量設(shè)備方面的能力有限，所以我們對(duì)毛細(xì)胞功能的很多方面知道的太少。"

但在最近，Holt與Holt-Holt-Géléoc感官神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究同行們?cè)趯?shí)驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)上取得了一些突破，這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以讓他們開展毛細(xì)胞聽覺作用的研究。

他們利用德國Physik Instrumente (PI)公司提供的納米定位元件，建造了一個(gè)新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室贏得了PI公司頒發(fā)的25,000美元的納米創(chuàng)新獎(jiǎng)（NANO Innovation Grant），并將幫助該實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)更大的研究目標(biāo)——更好地了解耳朵的生理學(xué)特征，這是發(fā)展治愈遺傳性耳聾和平衡障礙治療方法的第一步。“這才是我們真正的終極目標(biāo)，”Holt說。

該實(shí)驗(yàn)室最新型實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)設(shè)備的設(shè)計(jì)，對(duì)高新技術(shù)行業(yè)的工程師們來說也是意義非凡，因?yàn)樗麄円惨絹碓蕉嗟貞?yīng)對(duì)納米級(jí)和微米級(jí)的運(yùn)動(dòng)問題。PI公司北美市場(chǎng)部主任Stefan Vorndran說，“納米定位系統(tǒng)無疑會(huì)逐漸成為主流。最大的驅(qū)動(dòng)力來自半導(dǎo)體工業(yè)，其度量衡方面的需求會(huì)越來越受到基于滾珠絲杠和電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)微米定位系統(tǒng)的限制。”

微小的實(shí)驗(yàn)設(shè)備

通過實(shí)驗(yàn)，Holt與他的研究者們對(duì)內(nèi)耳的機(jī)械換能過程進(jìn)行了描繪，首先他們用機(jī)械方法刺激老鼠的活毛細(xì)胞，然后測(cè)量所得到的電子信號(hào)。為此，他們?cè)O(shè)計(jì)出了一種可以模仿和聽覺相關(guān)的變位與頻率的納米刺激器（參見圖表）。該系統(tǒng)現(xiàn)在可以處理高至10kHz左右的頻率并且能夠觸發(fā)0.1納米到幾微米范圍內(nèi)的變位，在這個(gè)數(shù)量級(jí)上，這確實(shí)是一個(gè)很巨大的范圍了。

這種納米刺激器是由研究者Andrea Lelli和Eric Stauffer研制的，他們采用了PI PL033型壓電驅(qū)動(dòng)器。他們之所以選用這種驅(qū)動(dòng)器，是因?yàn)槠涓吖舱耦l率、微小步長(zhǎng)、低電容和微小的尺寸。為了以與人類聽覺相關(guān)的頻率來驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)器，他們選用了一種快速的壓電驅(qū)動(dòng)機(jī)，PI公司的E-505。

據(jù)Lelli說，這種納米刺激器通過使驅(qū)動(dòng)器本身的負(fù)載保持最小來限制共振。“由壓電驅(qū)動(dòng)器移動(dòng)的唯一物體是一個(gè)很小的微量玻璃吸管，為了適合放入毛細(xì)胞束，該吸管的頂部被彎曲并呈圓形，”他說。這個(gè)微量吸管的質(zhì)量只有60到80毫克，它被粘貼在驅(qū)動(dòng)器的前端面并由一個(gè)Teflon（特氟綸）導(dǎo)絲板支撐，這樣做是為了把橫向移動(dòng)和振動(dòng)減小到最低水平。驅(qū)動(dòng)器運(yùn)動(dòng)軸中的后端面附著在一個(gè)安裝于PI “納米立方體”（Nanocube）的硬鋼條上，PI “納米立方體”是一種具有納米步長(zhǎng)的定位裝置。這個(gè)納米定位裝置把納米刺激器的頂端與毛細(xì)胞束并列在一起。

在弗吉尼亞大學(xué)Holt-Géléoc 感官神經(jīng)生理學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，研究者們使用壓電驅(qū)動(dòng)器和納米定位裝置來幫助揭示人類的聽覺奧秘。

最后，該系統(tǒng)還包含用于檢測(cè)變位毛細(xì)跑生成的毫伏電子信號(hào)的元件。連接到另一個(gè)納米立方體定位平臺(tái)上的第二個(gè)微量吸管和一個(gè)模擬記錄儀（基于一種簡(jiǎn)單的RC電路）用于收集電子數(shù)據(jù)。這些實(shí)驗(yàn)都在Zeiss Axioskop FS Plus型號(hào)的一架立式顯微鏡下進(jìn)行，這架顯微鏡配備有微分干涉相襯光學(xué)器件和63X水浸物鏡。

該系統(tǒng)在方案研究階段與這家實(shí)驗(yàn)室的研究者們過去幾年自己設(shè)計(jì)和研制的實(shí)驗(yàn)設(shè)備很相像。“我們過去已經(jīng)使用過壓電驅(qū)動(dòng)器和納米定位裝置，”Holt說。但是，使用PI公司設(shè)備的系統(tǒng)“性能大大好于我們以前建立的任何系統(tǒng)，”他說。并且，這些性能的提高幫助實(shí)驗(yàn)室拓展了對(duì)內(nèi)耳的研究探查范圍。

Holt說，他們實(shí)驗(yàn)室以前的系統(tǒng)只能讓毛細(xì)胞以最高幾百赫茲的頻率變位。“PI公司的元件能讓我們組裝出速度有幾何級(jí)數(shù)量增長(zhǎng)的設(shè)備，”他說。這種速度讓Holt和他的研究者們能夠做以前不能做的事情。“在這以前，我們的研究重點(diǎn)只能停留在毛細(xì)胞的前庭、毛細(xì)胞的平衡、毛細(xì)胞的功能等方面，”Holt說。

在其新型納米刺激器提供的高頻率性能的協(xié)助下，Holt和他的研究者們已經(jīng)開始進(jìn)行可以揭示關(guān)于聽覺生理學(xué)更多奧秘的實(shí)驗(yàn)了。“我們以前不能夠探查毛細(xì)胞的聽覺功能，因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)備的速度太慢，”Holt說。“現(xiàn)在，我們可以開始確認(rèn)關(guān)于毛細(xì)胞工作的一些理論和推測(cè)了。” (end)