Un chercheur développe une technologie bio-inspirée basée sur l’oreille de la chauve-souris

Rolf Mueller, professeur de génie mécanique à Virginia Tech, a puisé son inspiration dans les chauves-souris pour concevoir et développer une nouvelle technologie bio-inspirée capable de déterminer l’emplacement d’origine d’un son. Contrairement aux approches précédentes, souvent basées sur l’oreille humaine, Mueller a examiné l’oreille d’une chauve-souris pour acquérir la première nouvelle compréhension de l’identification de l’emplacement du son en 50 ans.

« J’ai longtemps admiré les chauves-souris pour leur capacité incroyable à naviguer dans des environnements naturels complexes en utilisant les ultrasons et j’ai soupçonné que la mobilité inhabituelle des oreilles de l’animal pourrait avoir un lien avec cela », a-t-il déclaré.

Mueller a été rejoint par son ancien étudiant en doctorat et auteur principal, Xiaoyan Yin. Les résultats ont été publiés dans Nature Machine Intelligence.

Oreille de chauve-souris vs Oreille humaine

Les chauves-souris utilisent l’écholocation pour naviguer lorsqu’elles volent, ce qui leur permet de déterminer la distance d’un objet en écoutant les échos lorsqu’elles émettent des sons. La bouche ou le nez de la chauve-souris émet des appels ultrasonores, qui rebondissent sur l’environnement et reviennent sous forme d’écho. Appelé l’effet Doppler, ils peuvent également extraire des informations à partir de sons ambiants.

Cet effet est différent lorsqu’il s’agit des humains, avec nos deux oreilles qui nous permettent de trouver l’emplacement à travers les données sonores qui vont au cerveau pour le traitement. En ayant deux récepteurs, nous pouvons détecter la direction des sons lorsqu’ils ne contiennent qu’une seule fréquence.

En 1967, une découverte a démontré qu’une seule oreille humaine peut détecter l’emplacement des sons si ceux-ci contiennent différentes fréquences.

L’oreille humaine a été l’inspiration pour diverses approches de détection de l’emplacement du son dans le passé, qui ont reposé sur des récepteurs de pression comme les microphones et la capacité de collecter plusieurs fréquences.

Mueller a vu qu’il y avait de plus grandes possibilités avec les oreilles de chauves-souris, qui sont beaucoup plus polyvalentes que les oreilles humaines. Son équipe a cherché à utiliser une seule fréquence et un seul récepteur au lieu de plusieurs.

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Développement de la technologie

L’une des premières étapes a consisté à recréer la capacité de la chauve-souris à bouger ses oreilles, ce qu’ils ont fait en créant une oreille synthétique souple attachée à une corde et à un simple moteur. Ce système a été synchronisé avec le battement de l’oreille chaque fois qu’il recevait un son entrant.

Les chauves-souris qui ont servi d’inspiration pour la nouvelle technologie ont des oreilles avec une transformation complète des ondes sonores, basée sur la forme de l’oreille externe. Cette partie de l’oreille de la chauve-souris utilise le mouvement de l’oreille lorsqu’elle reçoit un son pour créer plusieurs formes pour la réception, avec le son étant canalisé dans le canal auditif.

L’un des plus grands défis auxquels l’équipe a été confrontée a été d’extraire des données lisibles et interprétables à partir des ondes sonores entrantes. Pour y parvenir, ils ont placé l’oreille au-dessus d’un microphone pour créer un mécanisme similaire à celui de la chauve-souris.

En raison des mouvements rapides de l’oreille externe qui bat, des signatures de décalage Doppler ont été créées, qui sont liées à la direction de la source du son. Cependant, il n’était toujours pas facile d’interpréter en raison de modèles complexes.

L’équipe s’est ensuite tournée vers un réseau neuronal profond, qu’elle a formé pour fournir la direction de la source avec chaque écho reçu.

Le système a été testé avec l’oreille montée sur un support rotatif, qui comprenait un pointeur laser. Un haut-parleur a ensuite été placé dans différentes directions par rapport à l’oreille, et des sons ont été émis.

Après avoir déterminé la direction du son, l’ordinateur de contrôle a fait pivoter le système de sorte que le pointeur laser atteigne une cible sur le haut-parleur, ce qui a permis de localiser l’emplacement avec une précision de moins d’un demi-degré. C’est impressionnant lorsqu’on le compare aux résultats précédents, qui ont démontré que les oreilles humaines déterminent généralement l’emplacement dans un rayon de 9 degrés, et que la technologie actuelle n’a pu le localiser qu’à l’intérieur de 7,5 degrés.

« Les capacités sont complètement au-delà de ce qui est actuellement à la portée de la technologie, et pourtant tout cela est réalisé avec beaucoup moins d’efforts », a déclaré Mueller. « Notre espoir est d’apporter une autonomie fiable et capable dans des environnements extérieurs complexes, notamment l’agriculture de précision et la foresterie ; la surveillance environnementale, telle que la surveillance de la biodiversité ; ainsi que les applications liées à la défense et à la sécurité. »