Investigador Desarrolla Tecnología Bioinspirada Basada en la Oreja del Murciélago

Rolf Mueller, profesor de ingeniería mecánica en Virginia Tech, se inspiró en los murciélagos para diseñar y desarrollar una nueva tecnología bioinspirada que puede determinar la ubicación de origen de un sonido. A diferencia de los enfoques anteriores, que a menudo se basan en el oído humano, Mueller miró el oído de un murciélago para obtener la primera nueva idea sobre la identificación de la ubicación del sonido en 50 años. 

“He admirado durante mucho tiempo a los murciélagos por su capacidad innata para navegar en entornos naturales complejos basándose en ultrasonido y sospechaba que la movilidad inusual de las orejas del animal podría tener algo que ver con esto”, dijo. 

Mueller fue acompañado por su ex estudiante de doctorado y autor principal Xiaoyan Yin. Los hallazgos se publicaron en Nature Machine Intelligence.

Oreja de Murciélago vs. Oreja Humana 

Los murciélagos confían en la ecolocalización para navegar cuando vuelan, y les permite determinar la distancia de un objeto escuchando los ecos mientras emite sonidos. La boca o la nariz del murciélago emite llamadas ultrasónicas, que rebotan en el entorno y regresan como un eco. Denominado efecto Doppler, también pueden extraer información de los sonidos ambientales.

Este efecto es diferente cuando se trata de humanos, con nuestros dos oídos que nos permiten encontrar la ubicación a través de datos de sonido que van al cerebro para su procesamiento. Al tener dos receptores, podemos detectar la dirección de los sonidos cuando contienen solo una frecuencia. 

En 1967, un descubrimiento demostró que un solo oído humano puede detectar la ubicación de los sonidos si hay diferentes frecuencias. 

El oído humano ha sido la inspiración para varios enfoques para detectar la ubicación del sonido en el pasado, que han confiado en receptores de presión como micrófonos y la capacidad de recopilar múltiples frecuencias. 

Mueller vio que había mayores posibilidades con las orejas de los murciélagos, que son mucho más versátiles que las orejas humanas. Su equipo se propuso usar una sola frecuencia y un solo receptor en lugar de múltiples. 

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Desarrollar la Tecnología

Uno de los primeros pasos fue recrear la capacidad del murciélago para mover sus orejas, lo que hicieron creando una oreja sintética suave unida a una cuerda y un motor simple. Este sistema se sincronizó con el aleteo de la oreja cada vez que recibía un sonido entrante. 

Los murciélagos que sirvieron de inspiración para la nueva tecnología tienen orejas con una transformación completa de las ondas sonoras, que se basa en la forma de la oreja externa. Esta parte del oído del murciélago utiliza el movimiento de la oreja al recibir sonido para crear múltiples formas de recepción, con el sonido siendo canalizado hacia el conducto auditivo. 

Uno de los mayores desafíos que enfrentó el equipo fue extraer datos legibles e interpretables de las ondas sonoras entrantes. Para lograr esto, colocaron la oreja sobre un micrófono para crear un mecanismo similar al del murciélago. 

Debido a los movimientos rápidos de la oreja externa aleteante, se crearon firmas de desplazamiento Doppler, y estas se relacionaron con la dirección de la fuente del sonido. Sin embargo, todavía no era fácil de interpretar debido a los patrones complejos. 

El equipo luego se dirigió a una red neuronal profunda, entrenándola para proporcionar la dirección de la fuente con cada eco recibido. 

El sistema se probó con la oreja montada en un soporte rotativo, que incluía un puntero láser. Un altavoz se colocó en diferentes direcciones relativas a la oreja, y se emitieron sonidos. 

Después de determinar la dirección del sonido, la computadora de control rotó el sistema para que el puntero láser golpeara un objetivo en el altavoz, lo que resultó en la ubicación siendo localizada dentro de medio grado. Esto es impresionante en comparación con los resultados anteriores, que han demostrado que los oídos humanos generalmente determinan la ubicación dentro de 9 grados, y la tecnología de vanguardia solo ha podido determinarla dentro de 7,5 grados. 

“Las capacidades están completamente más allá de lo que está actualmente al alcance de la tecnología, y sin embargo todo esto se logra con mucho menos esfuerzo”, dijo Mueller. “Nuestra esperanza es llevar autonomía confiable y capaz a entornos al aire libre complejos, incluyendo agricultura de precisión y silvicultura; vigilancia ambiental, como monitoreo de biodiversidad; así como aplicaciones relacionadas con defensa y seguridad”.