Tutkija kehittää bio-inspiroituja teknologioita lepakon korvasta

Rolf Mueller, Virginia Techin mekaniikan professori, on saanut inspiraation lepakoiden korvista suunnitellessaan ja kehittäessään uutta bio-inspiroituja teknologioita, jotka voivat määrittää äänen alkuperäisen sijainnin. Toisin kuin aiemmat lähestymistavat, jotka usein perustuvat ihmisen korvaan, Mueller tarkasteli lepakon korvaa saadakseen ensimmäisen uuden näkemyksen äänen sijainnin määrittämiseksi 50 vuoteen.

”Olen aina ihaillut lepakkoja heidän epäilyttävän kyvystään navigoida monimutkaisissa luonnonympäristöissä ultraäänen avulla, ja epäilin, että eläimen korvien poikkeuksellinen liikkuva luonne saattaisi olla jollain tavoin tämän kyvyn takana”, hän sanoi.

Muelleria avusti entinen PhD-opiskelija ja ensisijainen kirjoittaja Xiaoyan Yin. Tulokset julkaistiin Nature Machine Intelligence-julkaisussa.

Lepakon ja ihmisen korva

Lepakot käyttävät echolokaatiorakennetta navigoidakseen lentäessään, ja se mahdollistaa heidän määrittää esineen etäisyyden kuuntelemalla heidän lähettämiensä äänien heijastuksia. Lepakon suu tai nenä lähettää ultraääniä, joka heijastuu ympäristöstä ja palaa takaisin heijastuksena. Tätä ilmiötä kutsutaan Doppler-ilmiöksi, ja se mahdollistaa myös ambienttisten äänien tiedon poimimisen.

Tämä ilmiö on erilainen ihmisten kohdalla, joiden kaksi korvaa mahdollistaa sijainnin määrittämisen äänidataa käsittelemällä aivoissa. Kahden vastaanottimen avulla voimme havaita äänen suunnan, kun äänessä on vain yksi taajuus.

Vuonna 1967 tehty löytö osoitti, että yksittäinen ihmisen korva voi määrittää äänen sijainnin, jos taajuuksia on useita.

Ihmisen korva on ollut monien aiempien lähestymistapojen inspiraationa äänen sijainnin määrittämiseksi, jotka ovat perustuneet paineantureihin, kuten mikrofoneihin, ja useiden taajuuksien keräämiseen.

Mueller havaitsi, että lepakoiden korvissa on suuremmat mahdollisuudet, jotka ovat paljon monipuolisempia kuin ihmisen korvat. Hänen tiiminsä päätti käyttää yhtä taajuutta ja yhtä vastaanotinta useamman sijaan.

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

Teknologian kehittäminen

Yksi ensimmäisistä askelista oli jäljitellä lepakon korvien liikettä, minkä he tekivät luomalla pehmeän synteettisen korvan, joka oli kiinnitetty narulla ja yksinkertaisella moottorilla. Tämä järjestelmä ajoitettiin korvan liikkeen kanssa, jolloin korva värähti aina, kun se vastaanotti tulevan äänen.

Lepakot, jotka toimivat inspiraationa uudelle teknologialle, ovat kehittäneet korvansa siten, että ne voivat muuttaa äänaaltoja täysin. Tämä perustuu korvan ulkoisen osan muotoon. Tämä osa korvasta käyttää korvan liikettä äänen vastaanotossa luodakseen useita muotoja äänen vastaanotolle, ja ääni ohjataan korvakäytävään.

Yksi suurimmista haasteista, joiden kanssa tiimi kamppaili, oli saada luettavaa ja tulkittavaa dataa tulevista äänaalloista. Tämän saavuttamiseksi he asettivat korvan mikrofonin yläpuolelle luodakseen samanlaisen mekanismin kuin lepakolla.

Korvan nopeiden liikkeiden vuoksi syntyi Doppler-ilmiön signatuureja, jotka liittyivät äänen lähteen suuntaan. Ne olivat kuitenkin edelleen hankalia tulkita monimutkaisten kuvioiden vuoksi.

Tiimi kääntyi syvän neuroverkon puoleen, jota he kouluttivat antamaan lähteen suunnan jokaisen vastaanotetun heijastuksen kanssa.

Järjestelmää testattiin kiinnittämällä korva pyörivään rakenteeseen, johon sisältyi laser-osoitin. Kovaääninen puhdin asetettiin eri suuntiin korvan suhteen, ja ääniä lähetettiin.

Äänen suunnan määrittämisen jälkeen ohjaustietokone pyöräytti järjestelmää siten, että laser-osoitin osui kohdepaikkaan kovaäänisessa puhdissa, jolloin sijainti määriteltiin puolen asteen tarkkuudella. Tämä on vaikuttavaa verrattuna aiempiin tuloksiin, jotka ovat osoittaneet, että ihmisen korvat yleensä määrittävät sijainnin 9 asteen tarkkuudella, ja nykytekniikka on pystynyt määrittämään sen vain 7,5 asteen tarkkuudella.

”Kyvyt ovat täysin nykyisen teknologian ulottumattomissa, ja kaikki tämä saavutetaan paljon vähemmällä vaivalla”, Mueller sanoi. ”Toivomme, että voimme tuoda luotettavan ja kykyisen autonomian monimutkaisiin ulkoilmaympäristöihin, mukaan lukien tarkka maatalous ja metsänhoito; ympäristön valvonta, kuten biodiversiteetin seuranta; sekä puolustus- ja turvallisuuteen liittyvät sovellukset.”