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 Mueller sich das Ohr einer Fledermaus an, um die erste neue Erkenntnis über die Identifizierung des Klangortes in 50 Jahren zu gewinnen.

“Ich habe Fledermäuse immer für ihre unheimliche Fähigkeit bewundert, komplexe natürliche Umgebungen auf der Grundlage von Ultraschall zu navigieren, und vermutete, dass die ungewöhnliche Beweglichkeit des Tierohrs möglicherweise damit zu tun hat”, sagte er.

Mueller wurde von seinem ehemaligen Doktoranden und Lead-Autor Xiaoyan Yin begleitet. Die Ergebnisse wurden in Nature Machine Intelligence.

Fledermaus-Ohr vs. menschliches Ohr

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

Dieser Effekt ist anders bei Menschen, bei denen unsere beiden Ohren es uns ermöglichen, den Ort durch Schall Daten zu bestimmen, die zum Gehirn für die Verarbeitung gesendet werden. Durch die beiden Empfänger können wir die Richtung von Schallwellen bestimmen, wenn sie nur eine Frequenz enthalten.

1967 wurde eine Entdeckung gemacht, die zeigte, dass ein einzelnes menschliches Ohr den Ort von Schallwellen bestimmen kann, wenn es unterschiedliche Frequenzen gibt.

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

Mueller sah, dass es größere Möglichkeiten mit Fledermausohren 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.

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Entwicklung der Technologie

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

Die Fledermäuse, die als Inspiration für die neue Technologie dienten, haben Ohren, die eine vollständige Umwandlung von Schallwellen ermöglichen, die auf der Form des äußeren Ohres basiert. Dieser Teil des Fledermausohres verwendet die Ohrbewegung, wenn er Schall empfängt, um mehrere Formen für die Aufnahme zu erstellen, wobei der Schall in den Gehörgang geleitet wird.

Eine der größten Herausforderungen, mit denen das Team konfrontiert war, war, 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 erstellen.

Aufgrund der schnellen Bewegungen des flatternden äußeren Ohres wurden Doppler-Shift-Signaturen erstellt, die mit der Richtung der Schallquelle in Zusammenhang standen. Es war jedoch immer noch nicht leicht, sie zu interpretieren, da komplexe Muster vorlagen.

Das Team wandte sich dann einem tiefen neuronalen Netzwerk zu und trainierte es, um die Quellenrichtung 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 Töne abgespielt.

Nachdem die Richtung des Schalls bestimmt worden war, rotierte der Steuercomputer das System, so dass der Laserpointer ein Ziel auf dem Lautsprecher traf, was dazu führte, dass der Ort innerhalb eines halben Grades genau bestimmt wurde. Dies ist beeindruckend, wenn man es mit früheren Ergebnissen vergleicht, die gezeigt haben, dass menschliche Ohren normalerweise 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 vollständig jenseits dessen, was derzeit in Reichweite der Technologie liegt, und doch 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.”