Forsker utvikler bio-inspirert teknologi basert på flaggermusøret

Rolf Mueller, professor i maskinteknikk ved Virginia Tech, har hentet inspirasjon fra flaggermus for å designe og utvikle en ny bio-inspirert teknologi som kan bestemme opphavsstedet for en lyd. I motsetning til tidligere tilnærminger, som ofte er basert på det menneskelige øret, så Mueller på en flaggermusøret for å få den første nye innsikten i å identifisere lydplassering på 50 år. 

“Jeg har lenge beundret flaggermus for deres usedvanlige evne til å navigere komplekse naturlige miljøer basert på ultralyd og mistenkte at den usedvanlige bevegeligheten av dyrets ører måtte ha noe å gjøre med dette,” sa han. 

Mueller ble slått sammen med tidligere Ph.D-student og hovedforfatter Xiaoyan Yin. Funndene ble publisert i Nature Machine Intelligence.

Flaggermus vs. menneskeøret 

Flaggermus avhenger av ekkolokalisering for å navigere når de flyr, og det gjør det mulig for dem å bestemme avstanden til et objekt ved å lytte til ekkoer når de sender ut lyder. Flaggermusens munn eller nese emitterer ultralydkall, som reflekteres av miljøet og returnerer som et ekko. Betegnet som Doppler-effekten, kan de også trekke ut informasjon fra omgivelseslyder.

Dette er forskjellig når det gjelder mennesker, med våre to ører som gjør det mulig for oss å finne plassering gjennom lyddata som går til hjernen for prosessering. Ved å ha to mottakere, kan vi detektere retningen av lyder når de inneholder bare én frekvens. 

I 1967 viste en oppdagelse at et enkelt menneskeøret kan detektere plasseringen av lyder hvis det er forskjellige frekvenser. 

Det menneskelige øret har vært inspirasjonen for ulike tilnærminger til å detektere lydplassering i fortiden, som har avhengt av trykkemottakere som mikrofoner og evnen til å samle inn flere frekvenser. 

Mueller så at det var større muligheter med flaggermusører, som er mye mer fleksible enn menneskeører. Hans team satte ut til å bruke en enkelt frekvens og en enkelt mottaker i stedet for flere. 

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

Utvikling av teknologien

En av de første stegene var å gjenskape flaggermusens evne til å bevege ørene, som de gjorde ved å lage et mykt syntetisk øre festet til en streng og en enkel motor. Dette systemet ble timet med øret som flagret hver gang det mottok en innkommende lyd. 

Flaggermusene som tjente som inspirasjon for den nye teknologien, har ører med en fullstendig transformasjon av lydbølger, som er basert på formen på ytre øre. Denne delen av flaggermusens øre bruker ørebevegelsen når den mottar lyd til å skape flere former for mottak, med lyden som kanaliseres inn i øregangen. 

En av de største utfordringene teamet møtte, var å trekke ut lesbar og tolkbar data fra innkommende lydbølger. For å oppnå dette, plasserte de øret over en mikrofon for å skape en lignende mekanisme som flaggermusen. 

På grunn av de raske bevegelsene til det flagrende ytre øret, ble Doppler-skiftsignaturer skapt, og disse relaterte til retningen av lydens kilde. Men det var fortsatt ikke lett å tolke på grunn av komplekse mønster. 

Teamet vendte seg da mot et dypt neuralt nettverk, og trente det til å gi kilden til retningen med hver ekko mottatt. 

Systemet ble testet med øret montert på en roterende ramme, som inkluderte en laserpeker. En høyttaler ble plassert i forskjellige retninger i forhold til øret, og lyder ble sendt ut. 

Etter å ha bestemt retningen av lyden, roterte kontrollcomputeren systemet så laserpekeren traff et mål på høyttaleren, som resulterte i at plasseringen ble punktert innen en halv grad. Dette er imponerende når sammenlignet med tidligere resultater, som har demonstrert at menneskeører vanligvis bestemmer plassering innen 9 grader, og state-of-the-art-teknologi bare har kunnet punktere det innen 7,5 grader. 

“Evnen er fullstendig utenfor hva som for tiden er innenfor rekkevidde av teknologi, og likevel oppnås all dette med mye mindre innsats,” sa Mueller. “Vårt håp er å bringe pålitelig og kapabel autonomi til komplekse utendørs miljøer, inkludert presisjonsjordbruk og skogbruk; miljøovervåking, som biodiversitetsovervåking; samt forsvar og sikkerhetsrelaterte anvendelser.”