研究者がコウモリの耳をもとにバイオからインスピレーションを得た技術を開発

バージニア工科大学の機械工学教授であるロルフ・ミュラー氏は、コウモリからインスピレーションを得て、音の発生場所を特定できる新しい生物由来の技術を設計・開発した。 人間の耳に基づくことが多いこれまでのアプローチとは異なり、ミュラー氏はコウモリの耳を観察して、音の位置を特定する上で50年ぶりの新たな洞察を得た。 

「私は長い間、超音波に基づいて複雑な自然環境をナビゲートするコウモリの驚異的な能力に感心しており、この動物の耳の異常な可動性がこれに関係しているのではないかと疑っていました」と同氏は述べた。 

ミューラー氏には、元博士課程の学生で筆頭著者のシャオヤン・イン氏も加わりました。 調査結果は、 ネイチャーマシンインテリジェンス.

コウモリ vs 人間の耳 

コウモリは飛行中にエコーロケーションを利用して移動し、音を発するときにエコーを聞くことで物体までの距離を判断できます。 コウモリの口や鼻からは超音波の鳴き声が発せられ、その鳴き声は環境に反射してエコーとして戻ってきます。 ドップラー効果と呼ばれる、周囲の音から情報を抽出することもできます。

人間の場合、この効果は異なります。私たちは両耳を使って、脳に送られて処理される音声データを通じて位置を見つけることができます。 XNUMX つの受信機を持つことにより、音に XNUMX つの周波数しか含まれていない場合でも、音の方向を検出できます。 

1967 年、異なる周波数がある場合、人間の XNUMX つの耳で音の位置を検出できることが発見されました。 

人間の耳は、これまで音の位置を検出するためのさまざまなアプローチのインスピレーションの源であり、マイクなどの圧力受信器と複数の周波数を収集する能力に依存していました。 

ミュラー氏は、人間の耳よりもはるかに多用途なコウモリの耳には、より大きな可能性があると考えました。 彼のチームは、複数の周波数ではなく単一の周波数と単一の受信機を使用することに着手しました。 

技術の開発

最初のステップの XNUMX つは、ヒモと単純なモーターに取り付けられた柔らかい合成の耳を作成することで、コウモリの耳を動かす能力を再現することでした。 このシステムは、着信音を受信するたびに耳がパタパタ動くことでタイミングを計りました。 

新しいテクノロジーのインスピレーションとなったコウモリの耳は、外耳の形状に基づいて音波が完全に変化します。 コウモリの耳のこの部分は、音を受信する際の耳の動きを利用して受信用の複数の形状を作成し、音は外耳道に導かれます。 

チームが直面した最大の課題の XNUMX つは、入ってくる音波から読み取り可能で解釈可能なデータを抽出することでした。 これを達成するために、彼らはマイクの上に耳を置き、コウモリと同様の機構を作成しました。 

外耳の羽ばたきの素早い動きにより、ドップラー シフト シグネチャが作成され、これらは音源の方向に関係します。 しかし、パターンが複雑なため、解釈するのはまだ簡単ではありませんでした。 

次にチームはディープ ニューラル ネットワークに目を向け、受信した各エコーで音源の方向を提供するようにトレーニングしました。 

このシステムは、レーザー ポインターを備えた回転装置に耳を取り付けてテストされました。 次に、スピーカーを耳に対してさまざまな方向に配置し、音を発しました。 

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上のターゲットに当たるようにしました。その結果、位置が 9 度以内で正確に特定されました。 これは、人間の耳は通常 7.5 度以内の位置を特定し、最先端のテクノロジーでは XNUMX 度以内しか位置を特定できなかったことを示した以前の結果と比較すると、印象的です。 

「その機能は現在のテクノロジーの範囲を完全に超えていますが、これらすべてははるかに少ない労力で達成されます」とミューラー氏は述べています。 「私たちの希望は、精密農業や林業などの複雑な屋外環境に、信頼性と能力に優れた自律性をもたらすことです。 生物多様性モニタリングなどの環境監視。 防衛およびセキュリティ関連のアプリケーションも同様です。」