Ricercatore sviluppa tecnologia bio-ispirata basata sull’orecchio del pipistrello

Rolf Mueller, professore di ingegneria meccanica alla Virginia Tech, ha tratto ispirazione dai pipistrelli per progettare e sviluppare una nuova tecnologia bio-ispirata in grado di determinare la posizione di origine di un suono. A differenza degli approcci precedenti, che si basano spesso sull’orecchio umano, Mueller ha guardato all’orecchio di un pipistrello per ottenere la prima nuova intuizione nell’identificazione della posizione del suono negli ultimi 50 anni.

“Ho sempre ammirato i pipistrelli per la loro incredibile capacità di navigare in ambienti naturali complessi basandosi su ultrasuoni e ho sospettato che la mobilità insolita delle orecchie dell’animale potesse avere qualcosa a che fare con questo”, ha detto.

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

Orecchio di pipistrello vs. orecchio umano

I pipistrelli si basano sull’ecolocalizzazione per navigare quando volano, e ciò consente loro di determinare la distanza di un oggetto ascoltando gli echi mentre emettono suoni. La bocca o il naso del pipistrello emettono richiami ultrasonici, che rimbalzano sull’ambiente e tornano come eco. Definito effetto Doppler, possono anche estrarre informazioni da 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 del suono che vanno al cervello per l’elaborazione. Avendo due ricevitori, possiamo rilevare la direzione dei suoni quando contengono una sola frequenza.

Nel 1967, una scoperta ha dimostrato che un solo 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 nel passato, che si sono basati su ricevitori di pressione come i microfoni e sulla capacità di raccogliere più frequenze.

Mueller ha visto che c’erano maggiori possibilità con le orecchie dei pipistrelli, che sono molto più versatili delle orecchie umane. Il suo team ha cercato di utilizzare una sola frequenza e un solo ricevitore invece di più.

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Sviluppo della tecnologia

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

I pipistrelli che hanno ispirato la nuova tecnologia hanno orecchie con una trasformazione completa 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 canale uditivo.

Una delle sfide più grandi affrontate dal team è stata estrarre dati leggibili e interpretabili dalle onde sonore in entrata. Per raggiungere questo obiettivo, hanno posizionato l’orecchio sopra un microfono per creare un meccanismo simile a quello del pipistrello.

A causa dei movimenti rapidi dell’orecchio esterno che sbatte, sono stati creati segnali di shift Doppler, e questi sono relativi alla direzione della sorgente del suono. Tuttavia, non è stato facile da interpretare a causa di modelli complessi.

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

Il sistema è stato testato con l’orecchio montato su un telaio rotante, che includeva un puntatore laser. Un altoparlante è stato quindi posizionato in diverse direzioni relative 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, il che ha portato alla posizione essere individuata entro mezzo grado. Ciò è impressionante se paragonato ai risultati precedenti, che hanno dimostrato che le orecchie umane determinano generalmente la posizione entro 9 gradi, e la tecnologia all’avanguardia è stata in grado di individuare la posizione entro 7,5 gradi.

“Le capacità sono completamente al di là di ciò che è attualmente alla portata della tecnologia, e tutto ciò è stato ottenuto con molto meno sforzo”, ha detto Mueller. “La nostra speranza è di portare un’autonomia affidabile e capace in ambienti outdoor complessi, tra cui l’agricoltura di precisione e la silvicoltura; la sorveglianza ambientale, come il monitoraggio della biodiversità; nonché applicazioni relative alla difesa e alla sicurezza”.