연구원, 박쥐의 귀를 기반으로 생체 영감 기술 개발

버지니아 공대의 기계 공학 교수인 롤프 뮬러(Rolf Mueller)는 박쥐에서 영감을 받아 소리의 기원 위치를 결정할 수 있는 새로운 생체 ​​영감 기술을 설계하고 개발했습니다. 종종 인간의 귀를 기반으로 하는 이전 접근 방식과 달리 Mueller는 박쥐의 귀를 관찰하여 50년 만에 소리 위치 식별에 대한 새로운 통찰력을 얻었습니다. 

"나는 초음파를 기반으로 복잡한 자연 환경을 탐색하는 박쥐의 기묘한 능력에 대해 오랫동안 존경해 왔으며 동물 귀의 비정상적인 이동성이 이것과 관련이 있을 수 있다고 의심했습니다."라고 그는 말했습니다. 

Mueller는 전 박사 과정 학생이자 주저자인 Xiaoyan Yin과 합류했습니다. 연구 결과는 자연 기계 지능.

박쥐 대 인간의 귀 

박쥐는 비행할 때 방향을 찾기 위해 반향 정위에 의존하며, 소리를 내보낼 때 반향을 듣고 물체의 거리를 결정할 수 있습니다. 박쥐의 입이나 코는 초음파 호출을 방출하는데, 이는 환경에 반사되어 메아리로 되돌아옵니다. 도플러 효과라고 하는 그들은 주변 소리에서 정보를 추출할 수도 있습니다.

이 효과는 인간의 경우와 다릅니다. 두 귀가 처리를 위해 뇌로 이동하는 소리 데이터를 통해 위치를 찾을 수 있습니다. 두 개의 수신기를 사용하면 주파수가 하나뿐일 때 소리의 방향을 감지할 수 있습니다. 

1967년에 한 가지 발견으로 주파수가 다른 경우 사람의 귀 하나로 소리의 위치를 ​​감지할 수 있다는 사실이 입증되었습니다. 

인간의 귀는 과거에 마이크와 같은 압력 수신기와 여러 주파수를 수집하는 기능에 의존하여 소리 위치를 감지하는 다양한 접근 방식에 영감을 주었습니다. 

Mueller는 인간의 귀보다 훨씬 다재다능한 박쥐 귀에 더 큰 가능성이 있음을 보았습니다. 그의 팀은 여러 개가 아닌 단일 주파수와 단일 수신기를 사용하기 시작했습니다. 

기술 개발

첫 번째 단계 중 하나는 귀를 움직이는 박쥐의 능력을 재현하는 것이었습니다. 그들은 끈과 간단한 모터에 부착된 부드러운 합성 귀를 만들어 그렇게 했습니다. 이 시스템은 들어오는 소리를 받을 때마다 귀가 펄럭이는 시간으로 측정되었습니다. 

신기술의 영감을 준 박쥐는 외이의 형태를 기반으로 음파가 완전히 변형된 귀를 가지고 있다. 박쥐 귀의 이 부분은 소리를 수신할 때 귀의 움직임을 사용하여 수신을 위한 여러 모양을 만들고 소리가 외이도로 전달됩니다. 

팀이 직면한 가장 큰 과제 중 하나는 들어오는 음파에서 읽을 수 있고 해석 가능한 데이터를 추출하는 것이었습니다. 이를 달성하기 위해 그들은 방망이와 유사한 메커니즘을 만들기 위해 마이크 위에 귀를 배치했습니다. 

펄럭이는 외이의 빠른 움직임으로 인해 도플러 편이 신호가 생성되었으며 이는 음원의 방향과 관련이 있습니다. 그러나 복잡한 패턴으로 인해 여전히 해석이 쉽지 않았습니다. 

그런 다음 팀은 심층 신경망으로 전환하여 수신된 각 에코에 소스 방향을 제공하도록 훈련했습니다. 

이 시스템은 레이저 포인터가 포함된 회전 장치에 귀를 장착한 상태에서 테스트되었습니다. 그런 다음 확성기를 귀에 대해 다른 방향으로 배치하고 소리를 방출했습니다. 

소리의 방향을 결정한 후 제어 컴퓨터는 시스템을 회전시켜 레이저 포인터가 확성기의 목표물을 명중시켰고 그 결과 위치가 9도 이내로 정확히 지정되었습니다. 이것은 인간의 귀가 일반적으로 7.5도 내에서 위치를 결정하고 최첨단 기술이 XNUMX도 내에서만 위치를 파악할 수 있음을 입증한 이전 결과와 비교할 때 인상적입니다. 

Mueller는 "이 기능은 현재 기술이 도달할 수 있는 범위를 완전히 넘어서지만 이 모든 것이 훨씬 적은 노력으로 달성됩니다."라고 말했습니다. “우리의 희망은 정밀 농업 및 임업을 포함한 복잡한 야외 환경에 안정적이고 유능한 자율성을 제공하는 것입니다. 생물 다양성 모니터링과 같은 환경 감시; 국방 및 보안 관련 애플리케이션도 포함됩니다.”