Onderzoeker ontwikkelt bio-geïnspireerde technologie op basis van het oor van een vleermuis

Rolf Mueller, professor in de mechanische ingenieurswetenschappen aan de Virginia Tech, heeft inspiratie opgedaan uit vleermuizen om een nieuwe bio-geïnspireerde technologie te ontwikkelen die de oorsprong van een geluid kan bepalen. In tegenstelling tot eerdere benaderingen, die vaak gebaseerd zijn op het menselijk oor, keek Mueller naar het oor van een vleermuis om de eerste nieuwe inzichten te verkrijgen in het bepalen van de geluidslocatie in 50 jaar.

“Ik heb altijd al bewondering gehad voor vleermuizen vanwege hun bijzondere vermogen om complexe natuurlijke omgevingen te navigeren op basis van ultrasound en vermoedde dat de ongebruikelijke mobiliteit van het dier zijn oren iets te maken had met dit”, zei hij.

Mueller werd vergezeld door voormalig PhD-student en eerste auteur Xiaoyan Yin. De resultaten werden gepubliceerd in Nature Machine Intelligence.

Vleermuisoor vs. Menselijk oor

Vleermuizen vertrouwen op echolocatie om te navigeren wanneer ze vliegen, en dit stelt hen in staat om de afstand van een object te bepalen door naar de echo’s te luisteren als ze geluiden uitzenden. De mond of neus van de vleermuis produceert ultrasonische geluiden, die afketsen op de omgeving en terugkeren als een echo. Dit wordt de Doppler-effect genoemd, en ze kunnen ook informatie extraheren uit omgevingsgeluiden.

Dit effect is anders bij mensen, met onze twee oren die ons in staat stellen om de locatie van geluiden te bepalen door geluidsgegevens naar de hersenen te sturen voor verwerking. Door twee ontvangers te hebben, kunnen we de richting van geluiden bepalen als ze slechts één frequentie bevatten.

In 1967 werd een ontdekking gedaan die aantoonde dat een enkel menselijk oor de locatie van geluiden kan bepalen als er verschillende frequenties zijn.

Het menselijk oor is de inspiratie geweest voor verschillende benaderingen om de geluidslocatie te bepalen in het verleden, die hebben vertrouwd op drukontvangers zoals microfoons en de mogelijkheid om meerdere frequenties te verzamelen.

Mueller zag dat er grotere mogelijkheden waren met vleermuisoren, die veel flexibeler zijn dan menselijke oren. Zijn team zette zich in om een enkele frequentie en een enkele ontvanger te gebruiken in plaats van meerdere.

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

Ontwikkeling van de technologie

Een van de eerste stappen was om de mogelijkheid van de vleermuis om zijn oren te bewegen, na te bootsen, wat ze deden door een zachte synthetische oor te creëren die aan een touw en een eenvoudige motor was bevestigd. Dit systeem werd getimed met de oor die trilde telkens wanneer het een inkomend geluid ontving.

De vleermuizen die als inspiratie dienden voor de nieuwe technologie, hebben oren met een complete transformatie van geluidsgolven, die gebaseerd zijn op de vorm van het buitenoor. Dit deel van het oor van de vleermuis gebruikt de oorbeweging als het geluid ontvangt om meerdere vormen te creëren voor ontvangst, met het geluid dat wordt gekanaald in het oorkanaal.

Een van de grootste uitdagingen die het team tegenkwam, was om leesbare en interpreteerbare gegevens te extraheren uit de inkomende geluidsgolven. Om dit te bereiken, plaatsten ze het oor boven een microfoon om een soortgelijk mechanisme te creëren als dat van de vleermuis.

Vanwege de snelle bewegingen van het trillende buitenoor, werden Doppler-shift-handtekeningen gecreëerd, en deze waren gerelateerd aan de richting van de geluidsbron. Het was echter nog steeds niet gemakkelijk om te interpreteren vanwege complexe patronen.

Het team wendde zich tot een diep neuronaal netwerk, dat werd getraind om de bronrichting te geven met elke echo die werd ontvangen.

Het systeem werd getest met het oor dat op een roterend frame was gemonteerd, dat een laserpointer bevatte. Een luidspreker werd vervolgens op verschillende posities ten opzichte van het oor geplaatst, en geluiden werden uitgezonden.

Nadat de richting van het geluid was bepaald, draaide de controlecomputer het systeem zodat de laserpointer een doelwit op de luidspreker raakte, wat resulteerde in het lokaliseren van de locatie binnen een halve graad. Dit is indrukwekkend in vergelijking met eerdere resultaten, die hebben aangetoond dat menselijke oren meestal de locatie bepalen binnen 9 graden, en state-of-the-art-technologie alleen in staat is om het te lokaliseren binnen 7,5 graden.

“De mogelijkheden zijn volledig voorbij wat momenteel binnen het bereik van de technologie ligt, en toch wordt al dit bereikt met veel minder inspanning”, zei Mueller. “Onze hoop is om betrouwbare en capabele autonomie te brengen in complexe buitengebieden, waaronder precisielandbouw en bosbouw; milieutoezicht, zoals biodiversiteitsonderzoek; evenals defensie- en veiligheidsgerelateerde toepassingen.”