Un ricercatore sviluppa una tecnologia bio-ispirata basata sull'orecchio di pipistrello

Rolf Mueller, professore di ingegneria meccanica al Virginia Tech, si è ispirato ai pipistrelli per progettare e sviluppare una nuova tecnologia di ispirazione biologica in grado di determinare la posizione di origine di un suono. A differenza degli approcci precedenti, che spesso si basano sull'orecchio umano, Mueller ha esaminato l'orecchio di un pipistrello per ottenere la prima nuova visione sull'identificazione della posizione del suono in 50 anni. 

"Ho ammirato a lungo i pipistrelli per la loro straordinaria capacità di navigare in ambienti naturali complessi basati sugli ultrasuoni e sospettavo che l'insolita mobilità delle orecchie dell'animale potesse avere qualcosa a che fare con questo", ha detto. 

Mueller è stato raggiunto dall'ex studente di dottorato e autore principale Xiaoyan Yin. I risultati sono stati pubblicati in Nature Machine Intelligence.

Pipistrello contro orecchio umano 

I pipistrelli fanno affidamento sull'ecolocalizzazione per navigare durante il volo e consente loro di determinare la distanza di un oggetto ascoltando gli echi mentre emette suoni. La bocca o il naso del pipistrello emette richiami ultrasonici, che rimbalzano sull'ambiente e ritornano come un'eco. Definito effetto Doppler, possono anche estrarre informazioni dai suoni ambientali.

Questo effetto è diverso quando si tratta di esseri umani, con le nostre due orecchie che ci consentono di trovare la posizione attraverso i dati sonori che vanno al cervello per l'elaborazione. Avendo due ricevitori, possiamo rilevare la direzione dei suoni quando contengono solo una frequenza. 

Nel 1967, una scoperta dimostrò che un singolo orecchio umano può rilevare la posizione dei suoni se ci sono frequenze diverse. 

L'orecchio umano è stato l'ispirazione per vari approcci alla rilevazione della posizione del suono in passato, che si sono basati su ricevitori di pressione come i microfoni e la capacità di raccogliere più frequenze. 

Mueller ha visto che c'erano maggiori possibilità con le orecchie di pipistrello, che sono molto più versatili delle orecchie umane. Il suo team ha deciso di utilizzare una singola frequenza e un singolo ricevitore invece di più. 

Sviluppare la tecnologia

Uno dei primi passi è stato ricreare la capacità del pipistrello di muovere le orecchie, cosa che hanno fatto creando un morbido orecchio sintetico attaccato a una corda e un semplice motore. Questo sistema era sincronizzato con l'orecchio che svolazzava ogni volta che riceveva un suono in arrivo. 

I pipistrelli che sono serviti da ispirazione per la nuova tecnologia hanno orecchie con una completa trasformazione delle onde sonore, che si basa sulla forma dell'orecchio esterno. Questa parte dell'orecchio del pipistrello utilizza il movimento dell'orecchio mentre riceve il suono per creare più forme per la ricezione, con il suono che viene incanalato nel condotto uditivo. 

Una delle maggiori sfide affrontate dal team è stata quella di estrarre dati leggibili e interpretabili dalle onde sonore in arrivo. Per ottenere ciò, hanno posizionato l'orecchio sopra un microfono per creare un meccanismo simile al pipistrello. 

A causa dei movimenti rapidi dell'orecchio esterno svolazzante, sono state create le firme di spostamento Doppler e queste erano correlate alla direzione della sorgente del suono. Tuttavia, non era ancora facile da interpretare a causa di schemi complessi. 

Il team si è quindi rivolto a una rete neurale profonda, addestrandola a fornire la direzione della sorgente con ogni eco ricevuto. 

Il sistema è stato testato con l'orecchio montato su un impianto rotante, che includeva un puntatore laser. Un altoparlante è stato quindi posizionato in direzioni diverse rispetto all'orecchio e sono stati emessi suoni. 

Dopo aver determinato la direzione del suono, il computer di controllo ha ruotato il sistema in modo che il puntatore laser colpisse un bersaglio sull'altoparlante, determinando l'individuazione della posizione entro mezzo grado. Questo è impressionante se confrontato con i risultati precedenti, che hanno dimostrato che le orecchie umane di solito determinano la posizione entro 9 gradi e la tecnologia all'avanguardia è stata in grado di individuarla solo entro 7.5 gradi. 

"Le capacità sono completamente al di là di ciò che è attualmente alla portata della tecnologia, eppure tutto ciò si ottiene con molto meno sforzo", ha affermato Mueller. “La nostra speranza è di portare un'autonomia affidabile e capace in ambienti esterni complessi, tra cui l'agricoltura di precisione e la silvicoltura; sorveglianza ambientale, come il monitoraggio della biodiversità; così come le applicazioni relative alla difesa e alla sicurezza.