Stereocilium, the basic sensory units of nature’s inertia sensor has high sensitivity over broad dynamic range which is a design conflict in conventional engineering sensor design. Nature resolves this design conflict by combining negative stiffness and adaptation mechanism. Negative stiffness mechanism occurs by ion-channel’s gating of nano-structure protein called tip-link and it gives selective amplification of small input. And adaptation mechanism is reposition process of bundle’s position worked by active molecular motor to maintain the stereo bundle’s position in region of negative stiffness. By combining these two amplifying mechanisms, inner ear achieve high sensitivity over dynamic range. The mechanical mimicking of this sensing mechanism has not been achieved yet. In this study, we propose a mechanical model mimicking hair bundle’s two amplifying mechanisms to react sensitively at small signal change. This model consists of negative stiffness part to amplifying external signal and active control part repositioning of bundle’s position. In the negative stiffness part, the repulsive magnetic force to inverted pendulum as an ion-gating channel makes negative stiffness region and this model has bistability. Adaptation motor is mimicked by using horizontally moving magnet connected to stepping motor. It controlled by AVR chipset and control the negative stiffness region. we verify that this model represent the negative stiffness and adaptation mechanism through displacement-clamping condition and also observe the spontaneous oscillation which appears combining negative stiffness and adaptation using motion capture camera and optical maker. This experimental result showed this mechanical model has nonlinear amplification and can control the sensitivity region. This result can be applying to engineering design problem such as nano-piezo actuator needed maximum amplification with bearable stiff-ness.
자연의 기본적인 감각 수용 기관인 유모세포는 기존 센서의 설계시 상충 관계에 있는 고감도와 광대역의 특성을 모두 가지고 있다. 자연은 반강성 메커니즘과 적응 메커니즘을 통해 이러한 특성을 갖는다. 반강성 메커니즘은 팁링크라는 단백질에 의해 이온 채널이 열리는 현상으로 인해 일어나는 현상이며 작은 신호에 대한 증폭 현상을 수반한다. 적응 현상은 섬모 번들의 위치를 적응 모터를 움직임으로써 조절해 주며 반강성 영역을 조절해 주는 역할을 한다. 이 두 메커니즘을 통해 섬모 번들은 고감도 광대역의 특성을 갖게 된다. 섬모 번들의 이런 메커니즘을 기계적인 시스템으로 모사한 연구는 현재까지 알려진 바가 없으며 본 연구에서는 섬모 번들의 두 증폭 메커니즘을 효과적으로 모사할 시스템을 제안하였다. 모델은 자석의 척력을 이용해 반강성 메커니즘을 구현한 부분과 스텝 모터를 사용해 자석을 움직여 반강성 영역을 조절하는 적응 메커니즘 부분으로 구성되어 있다. Displacement clamping 실험을 통해 제안한 모델이 반 강성의 특성을 가지며 자석이 움직임에 따라 반강성 역역이 이동하는 적응 현상을 확인 할 수 있었다. 이러한 모델은 최대 증폭과 강성 유지가 동시에 필요한 피에조 구동기 등의 기계적 설계 문제를 해결 할 수있는 기초 연구가 될 것으로 예상된다.
