Forsker utvikler bio-inspirert teknologi basert på flaggermusøret

Rolf Mueller, professor i maskinteknikk ved Virginia Tech, har funnet inspirasjon i flaggermus for å designe og utvikle en ny bio-inspirert teknologi som kan bestemme opphavslokasjonen til 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 lydlokasjon i 50 år.

“Jeg har lenge beundret flaggermus for deres usedvanlige evne til å navigere i komplekse naturlige miljøer basert på ultralyd og mistenkte at den usedvanlige bevegeligheten til 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 er avhengige av ekkolokalisasjon 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 sender ut ultralydkall, som bouncer av miljøet og returnerer som et ekko. Dette kalles Doppler-effekten, og de kan 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 lokasjonen til lyder når de inneholder bare én frekvens.

I 1967 ble det oppdaget at et enkelt menneskeøret kan bestemme lokasjonen til lyder hvis det er forskjellige frekvenser.

Det menneskelige øret har vært inspirasjonen for forskjellige tilnærminger til å bestemme lydlokasjon i fortiden, som har avhengt av trykkmottakere 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 flytte ørene, som de gjorde ved å lage et mykt syntetisk øre festet til en streng og en enkel motor. Dette systemet var synkronisert med øret som flakket 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 det ytre øret. Dette delen av flaggermusens øre bruker ørebevegelsen når det mottar lyd til å skape flere former for mottak, med lyden som kanaleres 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 flakkende ytre øret, ble Doppler-skiftsignalerer skapt, og disse relaterte til retningen av lydens kilde. Men det var fortsatt ikke enkelt å tolke på grunn av komplekse mønster.

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

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

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

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