باحث يطور تكنولوجيا مستوحاة من الطبيعة dựa على أذن الخفاش

罗尔夫 مولر، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة فرجينيا تيك، استوحى من الخفافيش لتصميم وتطوير تقنية جديدة مستوحاة من الطبيعة يمكنها تحديد موقع الصوت. على عكس النهج السابقة، والتي غالباً ما تستند إلى الأذن البشرية، نظر مولر إلى أذن الخفاش للحصول على أول رؤية جديدة لتحديد موقع الصوت في 50 عاماً.

“لقد إعجبت دائماً بالخفافيش لقدرتهم الغريبة على التنقل في البيئات الطبيعية المعقدة dựa على الموجات فوق الصوتية واشتبهت أن حركة أذن الحيوان الغريبة قد تكون لها علاقة بذلك”، قال.

انضم إلى مولر طالب الدكتوراه السابق وكاتب الرسالة الرئيسي شياويان يين. ونشرت النتائج في نيتشر ماشين إنTELIGENCE.

أذن الخفاش مقابل الأذن البشرية

تعتمد الخفافيش على الموجات فوق الصوتية للتنقل أثناء الطيران، مما يتيح لهم تحديد مسافة الكائن من خلال الاستماع إلى الأصداء عند إرسال الأصوات. ت发出 الفم أو الأنف الخفاشي نداءات فوق صوتية، والتي ترتد عن البيئة وتعود كأصداء. يسمى هذا التأثير تأثير دوبلر، ويمكنهم أيضًا استخراج المعلومات من الأصوات المحيطة.

يتفاوت هذا التأثير عند البشر، حيث تمكننا أذناننا من العثور على الموقع من خلال بيانات الصوت التي تذهب إلى الدماغ للمعالجة. من خلال وجود مستقبلين، يمكننا تحديد اتجاه الأصوات عندما تحتوي على تردد واحد فقط.

في عام 1967، أظهرت اكتشاف أن أذنًا بشرية واحدة يمكنها تحديد موقع الصوت إذا كانت هناك ترددات مختلفة.

كانت الأذن البشرية مصدر إلهام للعديد من النهج لتحديد موقع الصوت في الماضي، والتي اعتمدت على مستقبلات الضغط مثل الميكروفونات وability لجمع ترددات متعددة.

رأى مولر أن هناك إمكانيات أكبر مع أذن الخفاش، التي هي أكثر مرونة من الأذن البشرية. خرج فريقه لاستخدام تردد واحد ومستقبل واحد بدلاً من عدة.

https://www.youtube.com/watch?v=buFM5KkAnEo

تطوير التكنولوجيا

كان أحد أولى الخطوات هو إعادة إنشاء قدرة الخفاش على تحريك أذنيه، والتي قاموا بذلك من خلال إنشاء أذن اصطناعية لينة متصلة بخيط ومحرك بسيط. تم تزامن هذا النظام مع تحريك الأذن عند استلام صوت قادم.

الخفافيش التي خدمت كإلهام للتكنولوجيا الجديدة لها أذنان مع تحول كامل للموجات الصوتية، والذي يعتمد على شكل الأذن الخارجية. يستخدم جزء من أذن الخفاش حركة الأذن عند استلام الصوت لإنشاء أشكال متعددة للاستقبال، مع توجيه الصوت إلى قناة الأذن.

كان أحد أكبر التحديات التي واجهها الفريق هو استخراج بيانات قابلة للقراءة وذات معنى من الموجات الصوتية القادمة. من أجل تحقيق ذلك، وضعوا الأذن فوق ميكروفون لإنشاء آلية مشابهة لأذن الخفاش.

بسبب الحركات السريعة للأذن الخارجية المتأرجحة، تم إنشاء توقيعات دوبلر، والتي ترتبط باتجاه مصدر الصوت. ومع ذلك، لم يكن من السهل تفسيره بسبب الأنماط المعقدة.

ثم تحول الفريق إلى شبكة عصبية عميقة، وقاموا بتدريبها لتقديم اتجاه المصدر مع كل صوت قادم.

تم اختبار النظام مع تثبيت الأذن على هيكل دوار، والذي يتضمن مؤشر ليزر. تم وضع مكبر صوت في اتجاهات مختلفة بالنسبة للأذن، وأصدرت أصوات.

بعد تحديد اتجاه الصوت، قام حاسوب التحكم بدوران النظام حتى ضرب مؤشر الليزر هدف على مكبر الصوت، مما أدى إلى تحديد الموقع بدقة نصف درجة. هذا أمر مثير للإعجاب عند مقارنته بالنتائج السابقة، والتي أظهرت أن الأذن البشرية عادة ما تحدد الموقع بدقة 9 درجات، وتكنولوجيا الحالة الفعلية التي يمكنها فقط تحديد الموقع بدقة 7.5 درجات.

“القدرات完全 تتجاوز ما هو متاح حاليًا للتكنولوجيا، وكل هذا يتم تحقيقه مع جهد أقل”، قال مولر. “أملنا هو جلب الحكم الذاتي الموثوق والقادر إلى البيئات الخارجية المعقدة، بما في ذلك الزراعة الدقيقة والغابات؛ مراقبة البيئة، مثل مراقبة التنوع البيولوجي؛ بالإضافة إلى التطبيقات المتعلقة بالدفاع والأمن”.