Forsker udvikler bio-inspireret teknologi baseret på flagermusøret

Rolf Mueller, professor i mekanisk ingeniørvidenskab ved Virginia Tech, har draget inspiration fra flagermus for at designe og udvikle en ny bio-inspireret teknologi, der kan bestemme oprindelsesstedet for en lyd. I modsætning til tidligere tilgange, der ofte er baseret på det menneskelige øre, så Mueller på flagermusøret for at få den første nye indsigt i at identificere lydlokation i 50 år.

“Jeg har længe beundret flagermus for deres utrolige evne til at navigere i komplekse naturlige miljøer baseret på ultralyd og formodede, at den usædvanlige mobilitet af dyrets ører måske havde noget at gøre med dette,” sagde han.

Mueller blev ført af tidligere ph.d.-studerende og førsteforfatter Xiaoyan Yin. Resultaterne blev offentliggjort i Nature Machine Intelligence.

Flagermus vs. Menneskeøret

Flagermus afhænger af ekkolokation for at navigere, når de flyver, og det giver dem mulighed for at bestemme afstanden til et objekt ved at lytte til ekkoer, mens de sender lyde ud. Flagermusens mund eller næse sender ultralydssignaler ud, som bouncer af miljøet og returnerer som et ekko. Dette kaldes Doppler-effekten, og de kan også udtrække information fra omgivende lyde.

Dette er anderledes, når det kommer til mennesker, hvor vores to ører giver os mulighed for at finde lokation gennem lyddata, der sendes til hjernen for bearbejdning. Ved at have to modtagere kan vi opdage retningen af lyde, når de indeholder kun én frekvens.

I 1967 blev der gjort en opdagelse, der viste, at et enkelt menneskeøre kan bestemme lokationen af lyde, hvis der er forskellige frekvenser.

Menneskeøret har været inspirationen for forskellige tilgange til at bestemme lydlokation i fortiden, som har afhængt af trykmodtagere som mikrofoner og evnen til at samle multiple frekvenser.

Mueller så, at der var større muligheder med flagermusører, som er langt mere fleksible end menneskeører. Hans team satte sig for at bruge en enkelt frekvens og en enkelt modtager i stedet for multiple.

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

Udviklingen af teknologien

En af de første skridt var at genskabe flagermusens evne til at flytte deres ører, som de gjorde ved at skabe en blød syntetisk øre, der var fastgjort til en snor og en simpel motor. Dette system var synkroniseret med ørets flimren, når det modtog en indkommende lyd.

Flagermusene, der fungerede som inspiration for den nye teknologi, har ører med en komplet transformation af lydbølger, som er baseret på formen af det ydre øre. Dette dele af flagermusens øre bruger ørets bevægelse, når det modtager lyd, til at skabe multiple former til modtagelse, med lyden, der kanalses ind i øregangen.

En af de største udfordringer, som teamet stod over for, var at udtrække læselige og fortolkelige data fra de indkommende lydbølger. For at opnå dette placerede de øret over en mikrofon for at skabe en lignende mekanisme som flagermusen.

På grund af de hurtige bevægelser af det ydre øres flimren blev Doppler-skiftsignaturer skabt, og disse relaterede til retningen af lydens kilde. Men det var stadig ikke let at fortolke på grund af komplekse mønstre.

Teamet vendte sig så mod et dybt neuralt netværk, som de trænede til at give kilde-retningen for hver ekko, der modtoges.

Systemet blev testet med øret monteret på en roterende ramme, som indeholdt en laserpointer. En højttaler blev derefter placeret i forskellige retninger i forhold til øret, og lyde blev udsendt.

Efter at have bestemt retningen af lyden, roterede kontrolcomputeren systemet, så laserpointeren ramte et mål på højttaleren, hvilket resulterede i, at lokationen blev fastlagt inden for en halv grad. Dette er imponerende, når det sammenlignes med tidligere resultater, som har vist, at menneskeører normalt bestemmer lokation inden for 9 grader, og den nyeste teknologi kun har kunnet fastlægge den inden for 7,5 grader.

“Evnerne er helt ud over, hvad der i øjeblikket er inden for rækkevidde af teknologien, og alligevel opnås alt dette med langt mindre indsats,” sagde Mueller. “Vores håb er at bringe pålidelig og kompetent autonomi til komplekse udendørs miljøer, herunder præcisionslandbrug og skovbrug; miljøovervågning, såsom overvågning af biodiversitet; samt forsvar og sikkerhedsrelaterede anvendelser.”