The inner ear hair cells, the receptor cells sensing mechanical stimuli such as acoustic vibration and acceleration, achieve broad dynamic range while maintaining remarkably high sensitivity. The secret lies in the two amplifying mechanisms found in the hair bundle’s behavior: negative stiffness and adaptation. Negative stiffness mechanism's selective amplification of small inputs induces compressive nonlinear sensitivity, thus broadening dynamic range while ensuring the robustness of the system. This amplifying mechanism is a highly mechanical process. In this study, we propose a mechanical model of an inertial sensor mimicking the inner ear hair bundle's negative stiffness mechanism. The model consists of inverted pendulum array supported by pivotal spring at the base and interconnected by tip-link springs at the tips. Bistable gate in the form of buckled column are connected to one end of tip-link spring in series. Simulation was performed on MATLAB, and the result displayed the resemblance of opening probability distribution of the gates in the model to that in the real hair bundle. Parametric studies confirmed that the negative stiffness mechanism is induced structurally by revealing two important parameters: ratio of tip-link stiffness and pivotal stiffness and the angle at which the tip-link is attached to a stereocilium. Based on the simulation result, a prototype was designed and fabricated. The prototype consists of five inverted pendulums arranged in an array supported by pivotal spring at the base and interconnected by tip-link springs at the tips of the pendulums. Bistable gates in the form of buckled spring are connected to one end of non-elastic tip-link in series. The deflection of each pendulum was measured by strain gauge. The output signal was conditioned by Signal Conditioning Amplifier 2310. The experimental result showed compressive nonlinear sensitivity as anticipated from the simulation.
내이의 섬모다발은 음파나 가속도와 같은 기계적인 자극을 감지하는 감각수용체 세포로써 고감도 광대역의 특성을 지닌다. 이러한 고감도 광대역 특성은 섬모번들의 운동특성에서 발견된 두 개의 증폭 메커니즘, 즉 반강성 메커니즘과 적응 메커니즘에 의해 발현된다. 반강성 메커니즘은 미세신호를 선택적으로 증폭함으로써 신호의 크기가 작을수록 민감도가 높은 압축적 비선형 감도를 유발하여 광대역을 가능하게 한다. 반강성 메커니즘에 의한 이러한 선택적 증폭은 지극히 기계적인 과정으로 이루어진다. 본 연구에서는 내이 섬모다발의 기계적 반강성 메커니즘을 모사한 관성센서의 모델을 제시하고자 한다. 본 연구에서 제시하는 모델은 다섯개의 역진자 어레이로 이루어져 있으며 각 역진자는 피벗 스프링에 의해 지지된다. 각 역진자 사이는 팁링크 스프링으로 연결되어 있으며 각 팁링크 한쪽 끝에는 쌍안정적 게이트가 직렬로 연결되어 있다. 쌍안정적 게이트는 양 끝단에 걸린 압축력에 의해 버클된 철 빔으로 구성되었다. MATLAB을 통한 시뮬레이션을 통해 모델의 개거율과 실제 섬모다발의 개거율이 같은 양상을 띠는 것을 확인했다. 또한 파라미터 스터디에서 반강성 메커니즘이 구조적으로 유도되는 것을 확인할 수 있었으며 그러한 구조적 유도에 중요한 영향을 미치는 두 개의 파라미터를 발견했다. 시뮬레이션 결과와 파라미터 스터디에서 발견한 두 개의 파라미터에 근거하여 모델의 프로토타입을 제작했다. 프로토타입의 피벗 스프링은 박판 스프링으로 구성되어있으며 박판스프링의 표면에 스트레인게이지를 부착하여 각 역진자의 굽힘을 측정하였다. 또한 쌍안정적 게이트는 양 끝단에 미리 가해진 압축력에 의해 버클된 스프링으로 구성하였으며 게이트 스프링 길이 중간부를 탄성이 없는 철제 와이어로 구성된 팁링크와 핀조인트 형식으로 연결했다. 피벗 스프링에 부착된 스트레인게이지의 출력은 Signal Conditioning Amplifier 2310을 이용하여 신호처리 했으며 분석 및 인터페이스는 LabVIEW를 통해 실행되었다. 이와 같은 프로토타입을 이용한 실험을 통하여 본 연구에서 제시한 섬모다발 모사 관성센서의 모델이 시뮬레이션에서와 같은 압축적 비선형 민감도가 보임을 입증하였다.
