Pesquisador Desenvolve Tecnologia Bio-Inspirada Baseada na Orelha do Morcego

Rolf Mueller, professor de engenharia mecânica da Virginia Tech, foi inspirado pelos morcegos para projetar e desenvolver uma nova tecnologia bio-inspirada que pode determinar a localização de origem de um som. Ao contrário das abordagens anteriores, que são frequentemente baseadas na orelha humana, Mueller olhou para a orelha de um morcego para obter a primeira nova percepção sobre a identificação da localização do som em 50 anos.

“Eu sempre admirei os morcegos por sua incrível capacidade de navegar em ambientes naturais complexos com base em ultrassom e suspeitei que a mobilidade incomum das orelhas do animal poderia ter algo a ver com isso”, disse ele.

Mueller foi acompanhado pelo ex-aluno de doutorado e autor principal Xiaoyan Yin. As descobertas foram publicadas em Nature Machine Intelligence.

Orelha do Morcego vs. Orelha Humana

Os morcegos dependem da ecolocalização para navegar quando voam, e isso lhes permite determinar a distância de um objeto ouvindo os ecos enquanto emitem sons. A boca ou nariz do morcego emite chamadas ultrassônicas, que ricocheteiam no ambiente e retornam como um eco. Chamado de efeito Doppler, eles também podem extrair informações de sons ambientais.

Esse efeito é diferente quando se trata de humanos, com nossas duas orelhas nos permitindo encontrar a localização por meio de dados de som que vão para o cérebro para processamento. Ao ter dois receptores, podemos detectar a direção dos sons quando eles contêm apenas uma frequência.

Em 1967, uma descoberta demonstrou que uma orelha humana pode detectar a localização de sons se houver diferentes frequências.

A orelha humana foi a inspiração para várias abordagens para detectar a localização do som no passado, que confiaram em receptores de pressão, como microfones, e na capacidade de coletar múltiplas frequências.

Mueller viu que havia maiores possibilidades com as orelhas dos morcegos, que são muito mais versáteis do que as orelhas humanas. Sua equipe se propôs a usar uma frequência única e um receptor único, em vez de múltiplos.

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Desenvolvendo a Tecnologia

Uma das primeiras etapas foi recriar a capacidade do morcego de mover suas orelhas, o que fizeram criando uma orelha sintética macia presa a um fio e um motor simples. Esse sistema foi sincronizado com a orelha tremulando sempre que recebia um som de entrada.

Os morcegos que serviram de inspiração para a nova tecnologia têm orelhas com uma transformação completa de ondas sonoras, que é baseada na forma da orelha externa. Essa parte da orelha do morcego usa o movimento da orelha ao receber o som para criar múltiplas formas para recepção, com o som sendo canalizado para o canal auditivo.

Um dos maiores desafios enfrentados pela equipe foi extrair dados legíveis e interpretáveis das ondas sonoras de entrada. Para alcançar isso, eles colocaram a orelha acima de um microfone para criar um mecanismo semelhante ao do morcego.

Devido aos movimentos rápidos da orelha externa tremulante, foram criadas assinaturas de deslocamento Doppler, que relacionavam a direção da fonte do som. No entanto, ainda não era fácil de interpretar devido a padrões complexos.

A equipe então se voltou para uma rede neural profunda, treinando-a para fornecer a direção da fonte com cada eco recebido.

O sistema foi testado com a orelha montada em um suporte rotativo, que incluía um ponteiro laser. Um alto-falante foi então colocado em diferentes direções em relação à orelha, e sons foram emitidos.

Após determinar a direção do som, o computador de controle girou o sistema para que o ponteiro laser atingisse um alvo no alto-falante, o que resultou na localização sendo identificada dentro de meio grau. Isso é impressionante quando comparado a resultados anteriores, que demonstraram que as orelhas humanas geralmente determinam a localização dentro de 9 graus, e a tecnologia de ponta só conseguiu identificar dentro de 7,5 graus.

“As capacidades estão completamente além do que está atualmente ao alcance da tecnologia, e ainda assim tudo isso é alcançado com muito menos esforço”, disse Mueller. “Nossa esperança é trazer autonomia confiável e capaz para ambientes externos complexos, incluindo agricultura de precisão e silvicultura; vigilância ambiental, como monitoramento de biodiversidade; bem como aplicações relacionadas à defesa e segurança.”