Forscher entwickelt bio-inspirierte Technologie basierend auf dem Ohr der Fledermaus

Rolf Mueller, Professor für Maschinenbau an der Virginia Tech, hat sich von Fledermäusen inspirieren lassen, um eine neue bio-inspirierte Technologie zu entwickeln, die den Ursprungsort eines Sounds bestimmen kann. Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, die oft auf dem menschlichen Ohr basieren, sah sich Mueller das Ohr einer Fledermaus an, um die erste neue Erkenntnis zur Identifizierung des Schallorts in 50 Jahren zu gewinnen. 

“Ich habe Fledermäuse schon lange wegen ihrer unheimlichen Fähigkeit bewundert, komplexe natürliche Umgebungen mithilfe von Ultraschall zu navigieren, und vermutete, dass die ungewöhnliche Beweglichkeit der Ohren des Tieres möglicherweise damit zu tun hat”, sagte er. 

Mueller wurde von seinem ehemaligen Doktoranden und Erstautor Xiaoyan Yin unterstützt. Die Ergebnisse wurden in Nature Machine Intelligence veröffentlicht.

Fledermaus-Ohr vs. menschliches Ohr 

Fledermäuse verlassen sich auf Echolokation, um zu navigieren, wenn sie fliegen, und dies ermöglicht es ihnen, die Entfernung eines Objekts zu bestimmen, indem sie auf die Echoes hören, wenn sie Schallwellen aussenden. Der Mund oder die Nase der Fledermaus sendet ultraschallgesteuerte Rufe aus, die von der Umgebung abprallen und als Echo zurückkehren. Dieser Effekt, der als Doppler-Effekt bezeichnet wird, ermöglicht es ihnen auch, Informationen aus Umgebungsgeräuschen zu extrahieren.

Dieser Effekt ist anders, wenn es um Menschen geht, da unsere beiden Ohren es uns ermöglichen, den Ort eines Schalls zu finden, indem wir Schalldaten an das Gehirn für die Verarbeitung senden. Durch die beiden Empfänger können wir die Richtung von Schallwellen erkennen, wenn sie nur eine Frequenz enthalten. 

1967 wurde eine Entdeckung gemacht, die zeigte, dass ein einzelnes menschliches Ohr den Ort eines Schalls erkennen kann, wenn es unterschiedliche Frequenzen gibt. 

Das menschliche Ohr war die Inspiration für verschiedene Ansätze zur Erkennung des Schallorts in der Vergangenheit, die auf Druckempfängern wie Mikrofonen und der Fähigkeit, mehrere Frequenzen zu sammeln, basierten. 

Mueller sah, dass es mit Fledermausohren größere Möglichkeiten gab, die viel vielseitiger sind als menschliche Ohren. Sein Team machte sich daran, eine einzelne Frequenz und einen einzelnen Empfänger anstelle von mehreren zu verwenden. 

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

Entwicklung der Technologie

Einer der ersten Schritte bestand darin, die Fähigkeit der Fledermaus, ihre Ohren zu bewegen, nachzubilden, was sie durch die Erstellung eines weichen synthetischen Ohrs erreichten, das an einem Faden und einem einfachen Motor befestigt war. Dieses System wurde so gesteuert, dass das Ohr bei jedem eintreffenden Schall flatterte. 

Die Fledermäuse, die als Inspiration für die neue Technologie dienten, haben Ohren mit einer vollständigen Umwandlung von Schallwellen, die auf der Form des äußeren Ohrs basiert. Dieser Teil des Fledermausohrs nutzt die Ohrbewegung, wenn Schallwellen eintreffen, um mehrere Formen für die Aufnahme zu erstellen, wobei der Schall in den Gehörgang geleitet wird. 

Eine der größten Herausforderungen, die das Team zu bewältigen hatte, bestand darin, les- und interpretierbare Daten aus den eintreffenden Schallwellen zu extrahieren. Um dies zu erreichen, platzierten sie das Ohr über einem Mikrofon, um einen ähnlichen Mechanismus wie bei der Fledermaus zu schaffen. 

Aufgrund der schnellen Bewegungen des flatternden äußeren Ohrs entstanden Doppler-Verschiebungs-Signaturen, die mit der Richtung der Schallquelle zusammenhingen. Es war jedoch immer noch nicht leicht, sie zu interpretieren, da komplexe Muster vorlagen. 

Das Team wandte sich dann einem tiefen neuronalen Netz zu und trainierte es, um die Quellrichtung mit jedem empfangenen Echo zu liefern. 

Das System wurde getestet, indem das Ohr auf einem rotierenden Gestell montiert wurde, das einen Laserpointer enthielt. Ein Lautsprecher wurde dann in verschiedenen Richtungen relativ zum Ohr platziert und Schallwellen ausgesendet. 

Nachdem die Richtung des Schalls bestimmt worden war, rotierte der Steuercomputer das System, so dass der Laserpointer auf ein Ziel auf dem Lautsprecher traf, was dazu führte, dass der Ort innerhalb von weniger als einem halben Grad genau bestimmt wurde. Dies ist beeindruckend, wenn man es mit früheren Ergebnissen vergleicht, die gezeigt haben, dass menschliche Ohren in der Regel den Ort innerhalb von 9 Grad bestimmen, und die aktuellste Technologie nur in der Lage war, ihn innerhalb von 7,5 Grad zu bestimmen. 

“Die Fähigkeiten sind völlig jenseits dessen, was derzeit im Bereich der Technologie liegt, und dennoch wird all dies mit viel weniger Aufwand erreicht”, sagte Mueller. “Unsere Hoffnung ist es, zuverlässige und leistungsfähige Autonomie in komplexe Outdoor-Umgebungen zu bringen, einschließlich Präzisionslandwirtschaft und Forstwirtschaft; Umweltüberwachung, wie z.B. Biodiversitätsüberwachung; sowie Verteidigungs- und Sicherheitsanwendungen.”