Cercetătorul dezvoltă o tehnologie inspirată de biologie bazată pe urechea liliecilor

Rolf Mueller, profesor de inginerie mecanică la Virginia Tech, a fost inspirat de lilieci pentru a proiecta și dezvolta o nouă tehnologie inspirată de biologie care poate determina locația de origine a unui sunet. În contrast cu abordările anterioare, care se bazează adesea pe urechea umană, Mueller a examinat urechea unui liliac pentru a obține prima nouă perspectivă asupra identificării locației sunetului în 50 de ani.

“Am admirat întotdeauna liliecii pentru abilitatea lor uluitoare de a naviga în medii naturale complexe pe baza ultrasunetelor și am suspectat că mobilitatea neobișnuită a urechilor animalelor ar putea avea legătură cu acest lucru”, a spus el.

Mueller a fost alăturat de fostul său student doctorand și autor principal Xiaoyan Yin. Rezultatele au fost publicate în Nature Machine Intelligence.

Urechea liliecilor vs. Urechea umană

Liliecii se bazează pe ecolocație pentru a naviga în timpul zborului, ceea ce le permite să determine distanța unui obiect prin ascultarea ecourilor atunci când emit sunete. Gura sau nasul liliecilor emit apeluri ultrasonice, care ricoșează în mediu și se întorc sub formă de ecou. Acest efect, numit efectul Doppler, le permite să extragă informații și din sunetele ambientale.

Acest efect este diferit în cazul oamenilor, care au două urechi care ne permit să găsim locația prin datele sonore care merg la creier pentru procesare. Având două receptoare, putem detecta direcția sunetelor atunci când conțin o singură frecvență.

În 1967, o descoperire a demonstrat că o singură ureche umană poate detecta locația sunetelor dacă există frecvențe diferite.

Urechea umană a fost sursa de inspirație pentru diverse abordări de detectare a locației sunetului în trecut, care s-au bazat pe receptoare de presiune, cum ar fi microfoanele, și pe capacitatea de a colecta multiple frecvențe.

Mueller a observat că există posibilități mai mari cu urechile liliecilor, care sunt mult mai versatile decât urechile umane. Echipa sa a încercat să utilizeze o singură frecvență și un singur receptor, în loc de multiple.

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

Dezvoltarea tehnologiei

Una dintre primele etape a fost să recrieze capacitatea liliecilor de a-și mișca urechile, ceea ce au făcut prin crearea unei urechi sintetice moi atașate de o sârmă și un motor simplu. Acest sistem a fost sincronizat cu urechea care bătea ori de câte ori primea un sunet.

Liliecii care au servit ca sursă de inspirație pentru noua tehnologie au urechi cu o transformare completă a undelor sonore, care se bazează pe forma urechii externe. Partea urechii liliecilor folosește mișcarea urechii atunci când primește sunet pentru a crea multiple forme de recepție, sunetul fiind canalizat în canalul urechii.

Una dintre cele mai mari provocări cu care s-a confruntat echipa a fost să extragă date citibile și interpretabile din undele sonore care soseau. Pentru a realiza acest lucru, au plasat urechea deasupra unui microfon pentru a crea un mecanism similar cu cel al liliecilor.

Din cauza mișcărilor rapide ale urechii externe care bătea, s-au creat semnături de deplasare Doppler, care erau legate de direcția sursei sunetului. Cu toate acestea, nu a fost ușor de interpretat din cauza modelelor complexe.

Echipa a apelat apoi la o rețea neurală profundă, antrenând-o pentru a oferi direcția sursei cu fiecare ecou primit.

Sistemul a fost testat cu urechea montată pe un suport rotativ, care includea un pointer laser. Un difuzor a fost plasat în diferite direcții relative la ureche, iar sunete au fost emise.

După determinarea direcției sunetului, computerul de control a rotit sistemul astfel încât pointerul laser să lovească o țintă pe difuzor, ceea ce a dus la localizarea precisă a sursei într-un unghi de jumătate de grad. Acest lucru este impresionant în comparație cu rezultatele anterioare, care au demonstrat că urechile umane obișnuite determină locația într-un unghi de 9 grade, iar tehnologia de ultimă generație a putut localiza sursa într-un unghi de 7,5 grade.

“Capacitățile sunt complet dincolo de ceea ce este în prezent în domeniul tehnologiei, și totuși toate acestea sunt realizate cu mult mai puțin efort”, a spus Mueller. “Sperăm să aducem autonomie fiabilă și capabilă în medii externe complexe, inclusiv agricultură de precizie și silvicultură; supraveghere a mediului, cum ar fi monitorizarea biodiversității; precum și aplicații legate de apărare și securitate.”