Ερευνητής Αναπτύσσει Βιο-Εμπνευσμένη Τεχνολογία Βασισμένη στο Αυτί των Νυχτερίδων

Ο Rolf Mueller, καθηγητής μηχανικής στο Virginia Tech, έ drew έμπνευση από τις νυχτερίδες για να σχεδιάσει και να αναπτύξει eine νέα βιο-εμπνευσμένη τεχνολογία που μπορεί να καθορίσει την προέλευση ενός ήχου. Σε αντίθεση με τις προηγούμενες προσεγγίσεις, οι οποίες βασίζονται συχνά στο ανθρώπινο αυτί, ο Mueller εξέτασε το αυτί μιας νυχτερίδας για να αποκτήσει την πρώτη νέα εικόνα για την αναγνώριση της τοποθεσίας του ήχου στα τελευταία 50 χρόνια.

«Έχω πάντα θαυμάσει τις νυχτερίδες για την απίστευτη ικανότητά τους να πλοηγούν σε σύνθετα φυσικά περιβάλλοντα με βάση το υπερήχο και υποψιάστηκα ότι η ασυνήθιστη κινητικότητα του αυτιού του ζώου μπορεί να έχει κάποια σχέση με αυτό», είπε.

Ο Mueller συνεργάστηκε με τον πρώην φοιτητή του και βασικό συγγραφέα Xiaoyan Yin. Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν στο Nature Machine Intelligence.

Νυχτερίδα Εναντίον Ανθρώπινου Αυτιού

Οι νυχτερίδες βασίζονται στην ηχοτοπογράφηση για να πλοηγούν κατά τη πτήση και αυτό τους επιτρέπει να καθορίσουν την απόσταση ενός αντικειμένου ακούγοντας τις ηχοανακλάσεις όταν στέλνουν ήχους. Το στόμα ή η μύτη της νυχτερίδας εκπέμπει υπερηχητικά σήματα, τα οποία ανακλώνται από το περιβάλλον και επιστρέφουν ως ηχοανακλάσεις. Αυτό ονομάζεται Doppler effect και μπορούν επίσης να εξάγουν πληροφορίες από τους περιβάλλοντες ήχους.

Αυτό το φαινόμενο είναι διαφορετικό όταν πρόκειται για τους ανθρώπους, με τα δύο αυτιά μας να μας επιτρέπουν να βρούμε την τοποθεσία μέσω των δεδομένων του ήχου που στέλνονται στο εγκέφαλο για επεξεργασία. Με δύο δέκτες, μπορούμε να ανιχνεύσουμε την κατεύθυνση των ήχων όταν περιέχουν μόνο μια συχνότητα.

Το 1967, μια ανακάλυψη έδειξε ότι ένα ανθρώπινο αυτί μπορεί να ανιχνεύσει την τοποθεσία των ήχων εάν υπάρχουν διαφορετικές συχνότητες.

Το ανθρώπινο αυτί έχει εμπνεύσει διάφορες προσεγγίσεις για την ανίχνευση της τοποθεσίας του ήχου στο παρελθόν, οι οποίες έχουν βασιστεί σε δέκτες πίεσης όπως τα μικρόφωνα και την ικανότητα συλλογής πολλαπλών συχνοτήτων.

Ο Mueller είδε ότι υπήρχαν μεγαλύτερες δυνατότητες με τα αυτιά των νυχτερίδων, τα οποία είναι πολύ πιο ευέλικτα από τα ανθρώπινα αυτιά. Η ομάδα του αποφάσισε να χρησιμοποιήσει μια seule συχνότητα και einen δέκτη αντί για πολλαπλούς.

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

Ανάπτυξη της Τεχνολογίας

Ένα από τα πρώτα βήματα ήταν να αναπαράγουν την ικανότητα των νυχτερίδων να κουνάνε τα αυτιά τους, το οποίο έκαναν δημιουργώντας ένα μαλακό συνθετικό αυτί που ήταν προσαρτημένο σε ένα νήμα και ένα απλό κινητήρα. Αυτό το σύστημα ήταν συγχρονισμένο με το αυτί να κουνά όταν έλαβε έναν εισερχόμενο ήχο.

Οι νυχτερίδες που χρησίμευαν ως έμπνευση για την νέα τεχνολογία έχουν αυτιά με μια πλήρη μεταμόρφωση των κυμάτων του ήχου, η οποία βασίζεται στο σχήμα του εξωτερικού αυτιού. Αυτό το μέρος του αυτιού της νυχτερίδας χρησιμοποιεί την κίνηση του αυτιού όταν λαμβάνει ήχο για να δημιουργήσει πολλαπλά σχήματα για λήψη, με τον ήχο να κατευθύνεται στο αυτιακό κανάλι.

Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα που αντιμετώπισε η ομάδα ήταν να εξαγάγουν αναγνώσιμα και ερμηνεύσιμα δεδομένα από τις εισερχόμενες κυματικές μορφές του ήχου. Για να το επιτύχουν, τοποθέτησαν το αυτί πάνω από ένα μικρόφωνο για να δημιουργήσουν ένα παρόμοιο μηχανισμό με αυτόν της νυχτερίδας.

Λόγω των γρήγορων κινήσεων του εξωτερικού αυτιού, δημιουργήθηκαν σήματα Doppler shift, τα οποία σχετίζονταν με την κατεύθυνση της πηγής του ήχου. Ωστόσο, ήταν ακόμη δύσκολο να ερμηνευτεί λόγω των σύνθετων μοτίβων.

Η ομάδα στράφηκε σε ένα βαθύ νευρωνικό δίκτυο, εκπαιδεύοντάς το να παρέχει την κατεύθυνση της πηγής με κάθε ηχοανακλάση που λαμβανόταν.

Το σύστημα δοκιμάστηκε με το αυτί να είναι τοποθετημένο σε ένα περιστρεφόμενο στήριγμα, το οποίο περιείχε ένα laser pointer. Ένα ηχείο τοποθετήθηκε σε διαφορετικές κατευθύνσεις σχετικά με το αυτί και ήχοι εκπέμφθηκαν.

Μετά την καθορισμό της κατεύθυνσης του ήχου, ο έλεγχος του υπολογιστή περιστρέφει το σύστημα ώστε ο laser pointer να χτυπήσει ένα στόχο στο ηχείο, το οποίο οδήγησε στην τοποθεσία να καθοριστεί εντός μίαςμισης μοίρας. Αυτό είναι εντυπωσιακό όταν συγκρίνεται με τα προηγούμενα αποτελέσματα, τα οποία έχουν δείξει ότι τα ανθρώπινα αυτιά συνήθως καθορίζουν την τοποθεσία εντός 9 μοιρών και η τεχνολογία της τελευταίας τεχνολογίας έχει μόνο την ικανότητα να την καθορίσει εντός 7,5 μοιρών.

«Οι ικανότητες είναι πλήρως πέρα από αυτό που είναι τώρα στην εμβέλεια της τεχνολογίας και ακόμη όλα αυτά επιτυγχάνονται με πολύ λιγότερη προσπάθεια», είπε ο Mueller. «Η ελπίδα μας είναι να φέρουμε αξιόπιστη και ικανή αυτονομία σε σύνθετα εξωτερικά περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένης της ακριβούς γεωργίας και δασοκομίας· περιβαλλοντικής επιτήρησης, όπως παρακολούθηση της βιοποικιλότητας· καθώς και αμυντικών και ασφαλειών-σχετικών εφαρμογών».