Výzkumník vyvinul bio-inspirovanou technologii založenou na uchu netopýra

Rolf Mueller, profesor mechanického inženýrství na Virginii Tech, čerpal inspiraci z netopýrů, aby navrhl a vyvinul novou bio-inspirovanou technologii, která může určit původní umístění zvuku. Na rozdíl od předchozích přístupů, které jsou často založeny na lidském uchu, se Mueller podíval na ucho netopýra, aby získal první nové poznatky o identifikaci umístění zvuku za 50 let.

“Již dlouho obdivuji netopýry pro jejich neuvěřitelnou schopnost navigovat v komplexních přírodních prostředích na základě ultrazvuku a podezříval, že neobvyklá mobilita ucha zvířete by mohla mít něco společného s tím,” řekl.

Muellera doprovázel bývalý doktorand a hlavní autor Xiaoyan Yin. Výsledky byly zveřejněny v Nature Machine Intelligence.

Netopýr vs. lidské ucho

Netopýři se spoléhají na echolokaci, aby navigovali, když létají, a umožňuje jim určit vzdálenost objektu nasloucháním ozvěnám, když vysílají zvuky. Ústa nebo nos netopýra vydávají ultrazvukové signály, které se odrážejí od prostředí a vracejí se jako ozvěna. Takzvaný Dopplerův jev také umožňuje extrahovat informace z okolních zvuků.

Tento efekt je jiný u lidí, u nichž dvě uši umožňují najít umístění prostřednictvím zvukových dat, která jdou do mozku pro zpracování. Díky dvěma přijímačům můžeme detekovat směr zvuků, když obsahují pouze jednu frekvenci.

V roce 1967 byla objevena skutečnost, že jediné lidské ucho může detekovat umístění zvuků, pokud existují různé frekvence.

Lidské ucho bylo inspirací pro různé přístupy k detekci umístění zvuku v minulosti, které se spoléhaly na tlakové přijímače, jako jsou mikrofony, a schopnost shromažďovat více frekvencí.

Mueller viděl, že existují větší možnosti s ušima netopýra, která jsou daleko více všestranná než lidská ucha. Jeho tým se pokusil použít jedinou frekvenci a jeden přijímač místo více.

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

Vývoj technologie

Jedním z prvních kroků bylo napodobit schopnost netopýra pohybovat svými ušima, což se podařilo vytvořením měkkého syntetického ucha připojeného k lanu a jednoduchému motoru. Tento systém byl synchronizován s uchem, které se chvělo, kdykoli přijímal příchozí zvuk.

Netopýři, kteří sloužili jako inspirace pro novou technologii, mají uši s kompletní transformací zvukových vln, která je založena na tvaru vnějšího ucha. Tato část ucha netopýra používá pohyb ucha, když přijímá zvuk, aby vytvořila více tvarů pro příjem, se zvukem, který je směrován do sluchového kanálu.

Jednou z největších výzev, kterým tým čelil, bylo extrahovat čitelná a interpretovatelná data z příchozích zvukových vln. Za tímto účelem umístili ucho nad mikrofon, aby vytvořili podobný mechanismus jako u netopýra.

Vzhledem k rychlým pohybům chvějících se vnějších uší byly vytvořeny Dopplerovy signály, které se vztahovaly k směru zdroje zvuku. Nicméně, nebylo to stále snadné interpretovat kvůli složitým vzorcům.

Tým se poté obrátil k hluboké neuronové síti, kterou trénoval, aby poskytoval směr zdroje se каждým ozvěnou.

Systém byl testován s uchem namontovaným na rotujícím rámu, který zahrnoval laserový ukazatel. Reproduktor byl poté umístěn v různých směrech relativně k uchu a byly emitovány zvuky.

Po určení směru zvuku otočil kontrolní počítač systém, aby laserový ukazatel zasáhl cíl na reproduktoru, což vedlo k určení umístění v rámci půl stupně. To je působivé ve srovnání s předchozími výsledky, které prokázaly, že lidské ucho obvykle určuje umístění v rámci 9 stupňů, a nejmodernější technologie dokázala určit umístění v rámci 7,5 stupňů.

“Schopnosti jsou zcela za hranicemi toho, co je目前 dosažitelné technologií, a přesto je vše dosaženo s mnohem menšími úsilími,” řekl Mueller. “Naše naděje je přinést spolehlivou a schopnou autonomii do komplexních venkovních prostředí, včetně přesného zemědělství a lesnictví; environmentální surveilance, jako je monitoring biodiverzity; stejně jako obranné a bezpečnostní aplikace.”