并不是只有工程師的大腦才有運動控制。事實上，大多數的人能夠每天四處走動，都離不開世界上最精密運動系統的幫助，這種運動系統就存在于我們的內耳中。

“內耳是生物運動系統最輝煌的成就，”弗吉尼亞大學從事聽覺研究的神經學專家Jeffrey R. Holt博士說。內耳含有作為機械換能器的毛細胞，它們能把來自聲音和頭部運動的機械位移轉換成電子信號后傳送給大腦。據Holt介紹，這些毛細胞的長度通常不超過30mm，寬不超過5mm；作為體內平衡系統的一部分，它們能夠感知小至0.1nm的頭部直線運動或轉動。

“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，健康的毛細胞能夠在這樣的頻率范圍內對聲誘位移做出反應。某些哺乳類動物甚至具有更高速的聽覺系統，覆蓋的頻率范圍最高可達150kHz。

毛細胞提供的速度和解析度對任何想保持直立或者想進行對話交流的人來說都是一個好消息。但是，對于那些對內耳工作方式感興趣的研究者來說，這些微小的毛細胞卻是一個巨大的工程問題，因為這些研究者們正試圖設計出能夠研究這種毛細胞機械轉換過程的

實驗設備。Holt說，“由于我們在制造足夠快并能應對納米級位移的實驗和測量設備方面的能力有限，所以我們對毛細胞功能的很多方面知道的太少。"

但在最近，Holt與Holt-Holt-Géléoc感官神經生理學實驗室的研究同行們在實驗設備的設計上取得了一些突破，這些實驗設備可以讓他們開展毛細胞聽覺作用的研究。

他們利用德國Physik Instrumente (PI)公司提供的納米定位元件，建造了一個新型實驗系統。該系統為實驗室贏得了PI公司頒發的25,000美元的納米創新獎（NANO Innovation Grant），并將幫助該實驗室實現更大的研究目標——更好地了解耳朵的生理學特征，這是發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，”Holt說。

該實驗室最新型實驗和檢測設備的設計，對高新技術行業的工程師們來說也是意義非凡，因為他們也要越來越多地應對納米級和微米級的運動問題。PI公司北美市場部主任Stefan Vorndran說，“納米定位系統無疑會逐漸成為主流。最大的驅動力來自半導體工業，其度量衡方面的需求會越來越受到基于滾珠絲杠和電動機傳統微米定位系統的限制。”

微小的實驗設備

通過實驗，Holt與他的研究者們對內耳的機械換能過程進行了描繪，首先他們用機械方法刺激老鼠的活毛細胞，然后測量所得到的電子信號。為此，他們設計出了一種可以模仿和聽覺相關的變位與頻率的納米刺激器（參見圖表）。該系統現在可以處理高至10kHz左右的頻率并且能夠觸發0.1納米到幾微米范圍內的變位，在這個數量級上，這確實是一個很巨大的范圍了。

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型壓電驅動器。他們之所以選用這種驅動器，是因為其高共振頻率、微小步長、低電容和微小的尺寸。為了以與人類聽覺相關的頻率來驅動這種驅動器，他們選用了一種快速的壓電驅動機，PI公司的E-505。

據Lelli說，這種納米刺激器通過使驅動器本身的負載保持最小來限制共振。“由壓電驅動器移動的唯一物體是一個很小的微量玻璃吸管，為了適合放入毛細胞束，該吸管的頂部被彎曲并呈圓形，”他說。這個微量吸管的質量只有60到80毫克，它被粘貼在驅動器的前端面并由一個Teflon（特氟綸）導絲板支撐，這樣做是為了把橫向移動和振動減小到最低水平。驅動器運動軸中的后端面附著在一個安裝于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的定位裝置。這個納米定位裝置把納米刺激器的頂端與毛細胞束并列在一起。

在弗吉尼亞大學Holt-Géléoc 感官神經生理學實驗室里，研究者們使用壓電驅動器和納米定位裝置來幫助揭示人類的聽覺奧秘。

最后，該系統還包含用于檢測變位毛細跑生成的毫伏電子信號的元件。連接到另一個納米立方體定位平臺上的第二個微量吸管和一個模擬記錄儀（基于一種簡單的RC電路）用于收集電子數據。這些實驗都在Zeiss Axioskop FS Plus型號的一架立式顯微鏡下進行，這架顯微鏡配備有微分干涉相襯光學器件和63X水浸物鏡。

該系統在方案研究階段與這家實驗室的研究者們過去幾年自己設計和研制的實驗設備很相像。“我們過去已經使用過壓電驅動器和納米定位裝置，”Holt說。但是，使用PI公司設備的系統“性能大大好于我們以前建立的任何系統，”他說。并且，這些性能的提高幫助實驗室拓展了對內耳的研究探查范圍。

Holt說，他們實驗室以前的系統只能讓毛細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數量增長的設備，”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，我們的研究重點只能停留在毛細胞的前庭、毛細胞的平衡、毛細胞的功能等方面，”Holt說。

在其新型納米刺激器提供的高頻率性能的協助下，Holt和他的研究者們已經開始進行可以揭示關于聽覺生理學更多奧秘的實驗了。“我們以前不能夠探查毛細胞的聽覺功能，因為我們設備的速度太慢，”Holt說。“現在，我們可以開始確認關于毛細胞工作的一些理論和推測了。” (end)