バットの耳に基づく生体インスパイア技術を研究者が開発

バージニア工科大学の機械工学教授であるロルフ・ミューラーは、バットからインスピレーションを得て、音の発生位置を決定する新しい生体インスパイア技術を設計し開発しました。以前のアプローチとは異なり、人間の耳に基づくものではなく、ミューラーはバットの耳を研究し、50年間で初めて音の位置を特定する新しい洞察を得ました。

「私は長い間、バットの不思議な能力に感銘を受けてきました。バットは超音波と複雑な自然環境を基にナビゲートする能力を持っています。バットの耳の不思議な可動性がこの能力に関係しているのではないかと思いました」とミューラーは述べました。

ミューラーは、以前の博士課程の学生であり、第一著者であるシャオヤン・インと共同で研究しました。研究結果は、Nature Machine Intelligenceに掲載されました。

バットの耳と人間の耳

バットは飛行中にエコーロケーションを使用してナビゲートし、物体の距離を決定することができます。バットの口または鼻から超音波が発せられ、環境に当たって反射し、エコーとして戻ってきます。ドップラー効果と呼ばれるこの現象により、バットは周囲の音から情報を抽出することができます。

人間の場合、両耳で音の方向を特定することができます。両耳で音データを脳に送信することで、音の方向を特定することができます。ただし、1967年の発見により、単一の人間の耳で音の位置を特定することができることがわかりました。

人間の耳は、圧力受信機やマイクロフォンを使用して音の位置を特定するためのアプローチの基礎となりました。ミューラーは、バットの耳が人間の耳よりも遥かに多機能であることを発見しました。彼のチームは、単一の周波数と単一の受信機を使用して音の位置を特定することを目指しました。

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

技術の開発

最初のステップの1つは、バットの耳の可動性を再現することでした。彼らは、モーターとストリングに付けたソフトな合成耳を作成しました。このシステムは、音が受信されるたびに耳がフラッターするように調整されました。

バットの耳は、外耳の形状に基づいて音波を変換します。この部分は、耳の可動性を使用して音を耳管に導きます。チームは、バットの耳と同様のメカニズムを作成するために、耳の上にマイクロフォンを配置しました。

チームが直面した最大の課題の1つは、受信される音波から読み取り可能なデータを抽出することでした。彼らは、バットの耳と同様のメカニズムを作成するために、耳の上にマイクロフォンを配置しました。

耳のフラッターにより、ドップラー・シフトの特性が生じ、音の方向を特定することができます。ただし、複雑なパターンにより、解釈することは容易ではありませんでした。

チームは、深層ニューラルネットワークを使用して、各エコーを受信するたびに音の方向を特定するようにしました。

システムは、回転可能なラジアルに耳を取り付け、レーザーポインターを使用してテストしました。スピーカーは、耳の方向に応じて配置され、音が発せられました。

音の方向を特定した後、制御コンピューターはシステムを回転させ、レーザーポインターがスピーカーの目標をヒットさせ、位置を特定しました。これは、人間の耳が通常9度の精度で位置を特定し、最先端の技術が7.5度の精度で位置を特定するのに比べ、半度の精度で位置を特定することができました。

「これらの能力は、現在の技術の範囲を超えています。しかも、これはあまりの努力を必要としません」とミューラーは述べました。「私たちの希望は、精密農業、林業、環境モニタリング、防衛、セキュリティ関連のアプリケーションを含む複雑な屋外環境に、信頼性の高い自律性をもたらすことです」