นักวิจัยพัฒนาเทคโนโลยีแบบจำลองจากหูค้างคาว

โรลฟ์ มюเลอร์ ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลจาก Virginia Tech ได้ได้รับแรงบันดาลใจจากค้างคาวในการออกแบบและพัฒนาเทคโนโลยีแบบจำลองใหม่ที่สามารถกำหนดตำแหน่งต้นกำเนิดของเสียงได้ ไม่เหมือนกับแนวทางในอดีตที่มักจะอาศัยการทำงานของหูมนุษย์ มюเลอร์หันไปมองหาหูค้างคาวเพื่อให้ได้ข้อคิดเห็นใหม่ๆ ในการระบุตำแหน่งเสียงเป็นครั้งแรกในรอบ 50 ปี

“ฉันชื่นชมค้างคาวมานานแล้วสำหรับความสามารถที่ไม่ธรรมดาของพวกมันในการนำทางสภาพแวดล้อมธรรมชาติที่ซับซ้อนโดยใช้คลื่นเสียงอัลตราซาวนด์ และฉันสงสัยว่าความสามารถในการเคลื่อนไหวของหูสัตว์อาจมีส่วนเกี่ยวข้อง”

มюเลอร์ได้ร่วมงานกับศิษย์เก่าและผู้เขียนหลัก Xiaoyan Yin ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Machine Intelligence.

หูค้างคาว vs. หูมนุษย์

ค้างคาวใช้การเอคโอลोकेशनเพื่อนำทางขณะบิน และช่วยให้พวกมันสามารถกำหนดระยะทางของวัตถุได้โดยการฟังเสียงสะท้อนเมื่อพวกมันส่งเสียงออกไป ปากหรือจมูกของค้างคาวจะส่งเสียงเรียกอัลตราซาวนด์ ซึ่งจะสะท้อนกลับมาและกลายเป็นเสียงสะท้อน อาการนี้เรียกว่าผลดอปเพลอร์ และพวกมันยังสามารถดึงข้อมูลจากเสียงแวดล้อมได้

ผลดอปเพลอร์นี้แตกต่างจากมนุษย์ โดยที่หูสองข้างของเราช่วยให้เราสามารถกำหนดตำแหน่งเสียงได้โดยการประมวลผลข้อมูลเสียงที่ส่งไปยังสมอง เมื่อมีเครื่องรับสองเครื่อง เราสามารถตรวจจับตำแหน่งเสียงได้เมื่อเสียงมีเพียงหนึ่งความถี่เท่านั้น

ในปี 1967 มีการค้นพบว่าหูมนุษย์เดียวสามารถตรวจจับตำแหน่งเสียงได้หากมีความถี่ที่แตกต่างกัน

หูมนุษย์เป็นแรงบันดาลใจสำหรับแนวทางต่างๆ ในการตรวจจับตำแหน่งเสียงในอดีต ซึ่งอาศัยตัวรับแรงดัน เช่น ไมโครโฟน และความสามารถในการรวบรวมความถี่หลายๆ ความถี่

มюเลอร์เห็นว่ามีความเป็นไปได้ที่มากกว่ากับหูค้างคาว ซึ่งมีความสามารถมากกว่าหูมนุษย์อย่างมาก ทีมงานของเขาตั้งเป้าที่จะใช้ความถี่เดียวและตัวรับเดียวแทนการใช้หลายๆ ความถี่และตัวรับ

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

พัฒนาเทคโนโลยี

ขั้นตอนแรกคือการสร้างความสามารถของหูค้างคาวในการเคลื่อนไหว ซึ่งพวกเขาทำได้โดยการสร้างหูสังเคราะห์แบบนุ่มที่ติดกับเชือกและมอเตอร์ง่ายๆ ระบบนี้จะทำงานพร้อมกับการรับเสียงเข้า ซึ่งจะทำให้หูสังเคราะห์ขยับเมื่อรับเสียง

ค้างคาวที่ใช้เป็นแบบจำลองสำหรับเทคโนโลยีใหม่นี้มีหูที่สามารถเปลี่ยนแปลงรูปทรงของคลื่นเสียงได้ ซึ่งอาศัยรูปทรงของหูภายนอก ส่วนนี้ของหูค้างคาวใช้การเคลื่อนไหวของหูเมื่อรับเสียงเพื่อสร้างรูปทรงหลายรูปเพื่อรับเสียง และเสียงจะถูกส่งเข้าไปในหู

หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดของทีมคือการดึงข้อมูลที่อ่านและตีความได้จากคลื่นเสียงที่เข้ามา เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ พวกเขาวางหูไว้เหนือไมโครโฟนเพื่อสร้างกลไกที่คล้ายกับหูค้างคาว

เนื่องจากการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วของหูภายนอกที่ขยับ ทำให้เกิดสัญญาณดอปเพลอร์ ซึ่งเกี่ยวข้องกับตำแหน่งต้นกำเนิดของเสียง แต่ยังคงยากต่อการตีความเนื่องจากมีรูปแบบที่ซับซ้อน

ทีมงานจึงหันไปใช้เครือข่ายประสาทเทียมลึก โดยฝึกให้เครือข่ายนี้ให้ตำแหน่งต้นกำเนิดของเสียงสำหรับเสียงสะท้อนแต่ละเสียงที่รับมา

ระบบนี้ได้รับการทดสอบโดยการติดตั้งหูบนเครื่องหมุน ซึ่งรวมถึงเลเซอร์เป็นจุดสังเกต ลำโพงถูกวางไว้ในทิศทางต่างๆ เทียบกับหู และเสียงถูกส่งออกไป

หลังจากกำหนดตำแหน่งของเสียง คอมพิวเตอร์ควบคุมจะหมุนระบบเพื่อให้เลเซอร์ตรงกับเป้าหมายบนลำโพง ซึ่งทำให้สามารถกำหนดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำภายในครึ่งหนึ่งขององศา ซึ่งเป็นผลลัพธ์ที่น่าประทับใจเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ในอดีตที่แสดงให้เห็นว่าหูมนุษย์สามารถกำหนดตำแหน่งได้ภายใน 9 องศา และเทคโนโลยีล่าสุดสามารถกำหนดตำแหน่งได้ภายใน 7.5 องศา

“ความสามารถเหล่านี้อยู่นอกเหนือจากสิ่งที่เทคโนโลยีปัจจุบันสามารถทำได้ และทั้งหมดนี้สามารถทำได้ด้วยความพยายามที่น้อยกว่า” มюเลอร์กล่าว “ความหวังของเราคือการนำความสามารถและความน่าเชื่อถือมาใช้ในสภาพแวดล้อมกลางแจ้งซับซ้อน รวมถึงเกษตรกรรมที่แม่นยำและป่าไม้ การเฝ้าระวังสิ่งแวดล้อม เช่น การติดตามความหลากหลายทางชีวภาพ รวมถึงการประยุกต์ใช้ในการป้องกันและความมั่นคง”