Naukowiec opracowuje bio-inspirowaną technologię opartą na uchu nietoperza

Rolf Mueller, profesor inżynierii mechanicznej na Virginia Tech, zainspirował się nietoperzami, aby zaprojektować i opracować nową bio-inspirowaną technologię, która może określić pochodzenie dźwięku. W przeciwieństwie do poprzednich podejść, które często opierają się na ludzkim uchu, Mueller przyjrzał się uchu nietoperza, aby uzyskać nowe spojrzenie na identyfikację położenia dźwięku w ciągu 50 lat.

“Od dawna podziwiam nietoperze za ich niezwykłą zdolność do nawigacji w złożonych środowiskach naturalnych za pomocą ultradźwięków i podejrzewałem, że niezwykła ruchomość uszu zwierzęcia może mieć coś wspólnego z tym”, powiedział.

Mueller został dołączony przez byłego studenta doktoranckiego i głównego autora Xiaoyan Yin. Wyniki zostały opublikowane w Nature Machine Intelligence.

Ucho nietoperza a ucho ludzkie

Nietoperze polegają na echolokacji, aby nawigować podczas lotu, co pozwala im określić odległość obiektu, słuchając echa, gdy wysyłają dźwięki. Usta lub nos nietoperza emitują ultradźwiękowe wołania, które odbijają się od środowiska i wracają jako echo. Zjawisko to nazywa się efektem Dopplera, a także mogą one wyodrębnić informacje z dźwięków otoczenia.

Ten efekt jest inny w przypadku ludzi, z których dwoma uszami możemy znaleźć położenie dźwięku poprzez dane dźwiękowe, które trafiają do mózgu w celu przetworzenia. Posiadając dwa odbiorniki, możemy wykryć kierunek dźwięku, gdy zawiera on tylko jedną częstotliwość.

W 1967 roku odkryto, że pojedyncze ucho ludzkie może wykryć położenie dźwięku, jeśli istnieją różne częstotliwości.

Ucho ludzkie było inspiracją dla różnych podejść do wykrywania położenia dźwięku w przeszłości, które opierały się na odbiornikach ciśnienia, takich jak mikrofony, oraz na możliwości zbierania wielu częstotliwości.

Mueller zauważył, że istnieją większe możliwości z uszami nietoperza, które są o wiele bardziej wszechstronne niż uszy ludzkie. Jego zespół postanowił wykorzystać jedną częstotliwość i jeden odbiornik zamiast wielu.

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

Opracowanie technologii

Jednym z pierwszych kroków było odtworzenie zdolności nietoperza do poruszania uszami, co zrobiono, tworząc miękki syntetyczny ucho przymocowany do sznurka i prostego silnika. Ten system został zsynchronizowany z uchem, które poruszało się, gdy otrzymywało dźwięk.

Nietoperze, które posłużyły jako inspiracja dla nowej technologii, mają uszy z kompletną transformacją fal dźwiękowych, które opierają się na kształcie zewnętrznego ucha. Część ucha nietoperza wykorzystuje ruch ucha, gdy otrzymuje dźwięk, aby utworzyć wiele kształtów do odbioru, a dźwięk jest kierowany do kanału słuchowego.

Jednym z największych wyzwań, przed którymi stanął zespół, było wyodrębnienie czytelnych i interpretowalnych danych z nadchodzących fal dźwiękowych. Aby to osiągnąć, umieścili ucho nad mikrofonem, tworząc podobny mechanizm do nietoperza.

Ze względu na szybkie ruchy zewnętrznego ucha, powstawały sygnatury przesunięcia Dopplera, które odnosiły się do kierunku źródła dźwięku. Jednak nadal było to trudne do interpretacji ze względu na złożone wzory.

Zespół następnie skierował się ku głębokiej sieci neuronowej, szkoląc ją, aby dostarczała kierunek źródła z każdym odbitym dźwiękiem.

System został przetestowany z uchem zamontowanym na obracającym się rusztowaniu, które zawierało wskaźnik laserowy. Głośnik został umieszczony w różnych kierunkach w stosunku do ucha, a dźwięki zostały wyemitowane.

Po określeniu kierunku dźwięku komputer sterujący obrócił system, tak aby wskaźnik laserowy trafił w cel na głośniku, co skutkowało określeniem położenia w granicach pół stopnia. Jest to imponujące w porównaniu z poprzednimi wynikami, które wykazały, że uszy ludzkie zwykle określają położenie w granicach 9 stopni, a najnowocześniejsza technologia była w stanie określić je tylko w granicach 7,5 stopnia.

“Możliwości są całkowicie poza tym, co jest obecnie w zasięgu technologii, a wszystko to osiągane jest z o wiele mniejszym wysiłkiem”, powiedział Mueller. “Nasza nadzieja jest taka, aby dostarczyć niezawodną i zdolną autonomię do złożonych środowisk na zewnątrz, w tym precyzyjne rolnictwo i leśnictwo; monitoring środowiska, takiego jak monitorowanie bioróżnorodności; a także aplikacje związane z obroną i bezpieczeństwem.”