Výskumník vyvíja bio-inšpirovanú technológiu založenú na netopierom uchu

Rolf Mueller, profesor strojného inžinierstva na Virginia Tech, sa inšpiroval netopiermi, aby navrhol a vyvinul novú bioinšpirovanú technológiu, ktorá dokáže určiť miesto pôvodu zvuku. Na rozdiel od predchádzajúcich prístupov, ktoré sú často založené na ľudskom uchu, Mueller sa pozrel na ucho netopiera, aby získal prvý nový pohľad na identifikáciu polohy zvuku za 50 rokov. 

"Dlho som obdivoval netopiere pre ich zázračnú schopnosť navigovať v zložitých prírodných prostrediach na základe ultrazvuku a mal som podozrenie, že nezvyčajná pohyblivosť uší zvieraťa s tým môže mať niečo spoločné," povedal. 

K Muellerovi sa pripojil bývalý doktorand a hlavný autor Xiaoyan Yin. Zistenia boli zverejnené v r Nature Machine Intelligence.

Netopier verzus ľudské ucho 

Netopiere sa pri lietaní spoliehajú na echolokáciu, ktorá im umožňuje určiť vzdialenosť objektu počúvaním ozvien, ktoré vysielajú zvuky. Ústa alebo nos netopiera vydávajú ultrazvukové hovory, ktoré sa odrážajú od okolia a vracajú sa ako ozvena. Nazývajú sa Dopplerovým efektom a dokážu extrahovať informácie aj z okolitých zvukov.

Tento efekt je iný, pokiaľ ide o ľudí, keďže naše dve uši nám umožňujú nájsť polohu prostredníctvom zvukových údajov, ktoré idú do mozgu na spracovanie. Tým, že máme dva prijímače, môžeme zistiť smer zvukov, keď obsahujú iba jednu frekvenciu. 

V roku 1967 objav ukázal, že jediné ľudské ucho dokáže zistiť polohu zvukov, ak existujú rôzne frekvencie. 

Ľudské ucho bolo v minulosti inšpiráciou pre rôzne prístupy k zisťovaniu polohy zvuku, ktoré sa spoliehali na tlakové prijímače, ako sú mikrofóny, a schopnosť zbierať viaceré frekvencie. 

Mueller videl, že existujú väčšie možnosti s ušami netopierov, ktoré sú oveľa všestrannejšie ako ľudské uši. Jeho tím sa rozhodol použiť jednu frekvenciu a jeden prijímač namiesto viacerých. 

Vývoj technológie

Jedným z prvých krokov bolo obnoviť schopnosť netopiera pohybovať ušami, čo sa im podarilo vytvorením mäkkého syntetického ucha pripojeného k šnúrke a jednoduchému motoru. Tento systém bol načasovaný tak, že ucho trepotalo vždy, keď dostal prichádzajúci zvuk. 

Netopiere, ktoré slúžili ako inšpirácia pre novú technológiu, majú uši s úplnou transformáciou zvukových vĺn, ktorá vychádza z tvaru vonkajšieho ucha. Táto časť ucha netopiera využíva pohyb ucha, keď prijíma zvuk, na vytvorenie viacerých tvarov na príjem, pričom zvuk je smerovaný do zvukovodu. 

Jednou z najväčších výziev, ktorým tím čelil, bolo extrahovať čitateľné a interpretovateľné údaje z prichádzajúcich zvukových vĺn. Aby to dosiahli, umiestnili ucho nad mikrofón, aby vytvorili podobný mechanizmus ako netopier. 

Kvôli rýchlym pohybom trepotajúceho sa vonkajšieho ucha sa vytvorili podpisy Dopplerovho posunu, ktoré súviseli so smerom zdroja zvuku. Stále to však nebolo ľahké interpretovať kvôli zložitým vzorom. 

Tím sa potom obrátil smerom k hlbokej neurónovej sieti a trénoval ju, aby poskytovala smer zdroja s každou prijatou ozvenou. 

Systém bol testovaný s uchom namontovaným na otočnom zariadení, ktoré obsahovalo laserové ukazovátko. Reproduktor bol potom umiestnený v rôznych smeroch vzhľadom na ucho a boli vydávané zvuky. 

Po určení smeru zvuku riadiaci počítač otočil systém tak, aby laserové ukazovátko zasiahlo cieľ na reproduktore, čo viedlo k presnému určeniu miesta do pol stupňa. To je pôsobivé v porovnaní s predchádzajúcimi výsledkami, ktoré preukázali, že ľudské uši zvyčajne určujú polohu v rámci 9 stupňov a najmodernejšia technológia ju dokázala určiť len v rámci 7.5 stupňa. 

"Schopnosti sú úplne mimo toho, čo je v súčasnosti v dosahu technológie, a napriek tomu sa to všetko dosahuje s oveľa menším úsilím," povedal Mueller. „Našou nádejou je priniesť spoľahlivú a schopnú autonómiu do zložitých vonkajších prostredí, vrátane presného poľnohospodárstva a lesníctva; environmentálny dohľad, ako je monitorovanie biodiverzity; ako aj aplikácie súvisiace s obranou a bezpečnosťou.