Istraživač razvija bio-inspiriranu tehnologiju na temelju šišmišovog uha

Rolf Mueller, profesor strojarstva na Sveučilištu Virginia Tech, crpio je inspiraciju iz šišmiša za dizajn i razvoj nove bio-inspirirane tehnologije koja može odrediti mjesto porijekla zvuka. Za razliku od prijašnjih pristupa, koji se često temelje na ljudskom uhu, Mueller je pogledao uho šišmiša kako bi dobio prvi novi uvid u identificiranje lokacije zvuka u 50 godina. 

“Dugo sam se divio šišmišima zbog njihove nevjerojatne sposobnosti snalaženja u složenom prirodnom okruženju na temelju ultrazvuka i sumnjao sam da bi neobična pokretljivost ušiju ove životinje mogla imati veze s tim”, rekao je. 

Muelleru se pridružio bivši doktorant i glavni autor Xiaoyan Yin. Nalazi su objavljeni u Inteligencija stroja prirode.

Šišmiš protiv ljudskog uha 

Šišmiši se oslanjaju na eholokaciju za navigaciju tijekom leta, a ona im omogućuje da odrede udaljenost objekta slušajući odjeke dok on šalje zvukove. Usta ili nos šišmiša emitiraju ultrazvučne zvukove koji se odbijaju od okoline i vraćaju kao jeka. Nazvani Dopplerovim efektom, oni također mogu izvući informacije iz okolnih zvukova.

Ovaj učinak je drugačiji kada je riječ o ljudima, s naša dva uha koja nam omogućuju pronalaženje lokacije putem zvučnih podataka koji idu u mozak na obradu. Imajući dva prijemnika, možemo detektirati smjer zvukova kada sadrže samo jednu frekvenciju. 

Godine 1967. otkriće je pokazalo da jedno ljudsko uho može detektirati lokaciju zvukova ako postoje različite frekvencije. 

Ljudsko uho bilo je nadahnuće za različite pristupe otkrivanju lokacije zvuka u prošlosti, koji su se oslanjali na prijemnike pritiska poput mikrofona i sposobnost prikupljanja više frekvencija. 

Mueller je uvidio da postoje veće mogućnosti s ušima šišmiša, koje su mnogo svestranije od ljudskih ušiju. Njegov tim odlučio je koristiti jednu frekvenciju i jedan prijemnik umjesto više njih. 

Razvijanje tehnologije

Jedan od prvih koraka bio je rekreirati sposobnost šišmiša da pomiče svoje uši, što su i učinili stvaranjem mekog sintetičkog uha pričvršćenog na konac i jednostavnog motora. Ovaj sustav je bio tempiran s titranjem uha kad god bi primilo dolazni zvuk. 

Šišmiši koji su poslužili kao inspiracija za novu tehnologiju imaju uši s potpunom transformacijom zvučnih valova, koja se temelji na obliku vanjskog uha. Ovaj dio uha šišmiša koristi pokrete uha dok prima zvuk kako bi stvorio više oblika za prijem, a zvuk se usmjerava u ušni kanal. 

Jedan od najvećih izazova s ​​kojima se tim susreo bio je izvući čitljive i protumačive podatke iz dolaznih zvučnih valova. Kako bi to postigli, postavili su uho iznad mikrofona kako bi stvorili mehanizam sličan šišmišu. 

Zbog brzih kretnji treperenja vanjskog uha, stvoreni su potpisi Dopplerovog pomaka, a oni su povezani sa smjerom izvora zvuka. Međutim, još uvijek nije bilo lako protumačiti zbog složenih obrazaca. 

Tim se zatim okrenuo prema dubokoj neuronskoj mreži, trenirajući je da daje smjer izvora sa svakom primljenom jekom. 

Sustav je testiran s uhom postavljenim na rotirajuću opremu, koja je uključivala laserski pokazivač. Zvučnik je zatim postavljen u različitim smjerovima u odnosu na uho i emitirani su zvukovi. 

Nakon što je odredio smjer zvuka, kontrolno računalo je zarotiralo sustav tako da je laserski pokazivač pogodio metu na zvučniku, što je rezultiralo određivanjem lokacije unutar pola stupnja. Ovo je impresivno u usporedbi s prijašnjim rezultatima, koji su pokazali da ljudske uši obično određuju lokaciju unutar 9 stupnjeva, a najsuvremenija tehnologija ju je uspjela odrediti samo unutar 7.5 stupnjeva. 

“Mogućnosti su potpuno izvan onoga što je trenutno u dosegu tehnologije, a ipak se sve to postiže s puno manje truda,” rekao je Mueller. „Nadamo se da ćemo donijeti pouzdanu i sposobnu autonomiju u složena vanjska okruženja, uključujući preciznu poljoprivredu i šumarstvo; nadzor okoliša, kao što je praćenje biološke raznolikosti; kao i aplikacije vezane uz obranu i sigurnost.”