Forskare vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) har tagit fram ett snabbt och ultrabredbandigt radiochip med låg energiförbrukning som efterliknar funktionen hos människans öra.

Radiochipet kan komma att användas i tillämpningar för att ta emot inkommande mobiltelefonsamtal, Internet och radio- och televisionssignaler. Rahul Sarpeshkar, associate professor of electrical engineering and computer science, och hans student, Soumyajit Mandal har inspirerats av det mänskliga innerörat och cochlea som innehåller människans sensor för hörsel. Chipet är snabbare än någon annan spektrumanalysator och förbrukar dessutom mycket mindre energi.

– Cochlea uppfattar snabbt vad som i stort pågår inom ljudområdet. Ju mer jag började studera örat desto mer förstod jag att det är som en superradio med 3 500 parallella kanaler, säger Rahul Sarpeshkar.

Sarpeshkar och hans studenter beskriver det nya chipet benämnt ”The radio frequency (RF) cochlea” i juniutgåvan av IEEE Journal of Solid-State Circuits. De har också sökt patent för att kunna integrera sin ”RF cochlea” i en mjukvaru- eller universell radioarkitektur som är konstruerad för att effektivt analysera ett brett spektrum av signaler såsom för mobiltelefoni, trådlöst Internet, FM och andra signaler. Hur kom forskarna på sin idé och efter vilka principer är chipet uppbyggt? The RF cochlea efterliknar strukturen och funktionen hos det biologiska cochlea som använder sig av fluidik/mekanik, piezoelektricitet och nervsignalbehandling för att omvandla ljudvågor till elektriska signaler som sänds till hjärnan. Då ljudvågor kommer in till cochlea skapar de mekaniska vågor via cochleas membran och vätska aktiverar hårceller (hårceller som i sin tur skapar elektriska signaler som skickas till hjärnan). Cochlea kan uppfatta 100-talet frekvensområden hos människan mellan 100 och 10 000 Hz. Sarpeshkar använder samma konstruktionsprinciper i sin RF cochlea för att skapa kretsar som kan uppfatta signaler, men miljontals gånger högre upp i frekvens, vilket inkluderar radio signaler för de flesta kommersiella trådlösa tillämpningarna. Dessa kretsar visar vad som kan hända om forskare tar inspiration från områden utanför sitt eget.

The RF cochlea, inbäddat i ett kiselchip som mäter 1,5 × 3 mm, fungerar som en spektrumanalysator och detekterar kombinationer av alla elektromagnetiska vågor inom sitt omfångsområde. Elektromagnetiska vågor färdas genom elektroniska induktorer och kondensatorer (analogt med den biologiska cochleas vätska och membran). Elektroniska transistorer spelar rollen som motsvarande cochleas hårceller. Det analoga cochlea-chipet är snabbare än någon annan spektrumanalysator och konsumerar ungefär 100 gånger mindre energi än vad som skulle krävas vid en direkt digitalisering av hela bandbredden. Det här gör chipet eftertraktat som universell eller ”kognitiv” radiokomponent som kan ta emot en stor mängd frekvenser och välja ut den som man är intresserad av.

Det här är inte första gången Sarpeshkar har använt biologi för inspiration till att konstruera elektroniska kretsar. Som utbildad ingenjör och biologistudent har han hittat många liknande mönster mellan naturen och i ”the man made world”. Till exempel har Sarpeshkars grupp vid MIT:s forskningslaboratorium för elektronik utvecklat ett analogt röstsynteschip som är inspirerad av människans sätt att tala. Chipet, med dess potential för robust röstigenkänning i brus och röstidentifikation finns i flera tillämpningar i portabla utrustningar och i säkerhetsapplikationer. Vidare har forskarna byggt kretsar som kan analysera hjärtrytmen för trådlös hjärtövervakning och de arbetar också på projekt som inspireras av cellernas sätt att processa signaler. Förut har hans grupp också arbetat på hybrid analog-digital signalprocessorer inspirerade av hjärnans neuroner.

– Ingenjörer kan lära sig mycket genom att studera biologiska system som har utvecklats under hundratals miljoner år, säger Rahul Sarpeshkar.

Filed under: Utländsk Teknik