Дослідник розробляє біоінспіровані технології на основі вуха кажана

Рольф Мюллер, професор механічної інженерії у Вірджинському технологічному університеті, черпав натхнення з кажанів, щоб розробити та створити нову біоінспіровані технологію, яка може визначити місце походження звуку. На відміну від попередніх підходів, які часто базувалися на людському вусі, Мюллер вивчив вухо кажана, щоб отримати перший новий погляд на визначення місця звуку за останні 50 років.

«Я давно захоплювався кажанами за їхню незвичайну здатність орієнтуватися в складних природних середовищах за допомогою ультразвуку та підозрював, що незвичайна рухливість вух тварини може бути пов’язана з цим», – сказав він.

Мюллера супроводжував колишній аспірант і головний автор Сяо Янь Їн. Результати були опубліковані в Nature Machine Intelligence.

Вухо кажана проти людського вуха

Кажани використовують ехолокацію для навігації під час польоту, що дозволяє їм визначити відстань до об’єкта, слухаючи ехо, коли вони видають звуки. Рот або ніс кажана випускає ультразвукові сигнали, які відбиваються від середовища та повертаються у вигляді ехо. Це явище називається ефектом Доплера, і вони також можуть витягувати інформацію з фонових звуків.

Цей ефект відрізняється у людей, оскільки наші два вуха дозволяють нам визначити місце звуку за допомогою звукових даних, які надходять до мозку для обробки. Маємо два приймачі, ми можемо визначити напрямок звуків, коли вони містять лише одну частоту.

У 1967 році відкриття продемонструвало, що одне людське вухо може визначити місце звуку, якщо є різні частоти.

Лудське вухо було джерелом натхнення для різних підходів до визначення місця звуку в минулому, які базувалися на приймачах тиску, таких як мікрофони, та здатності зібрати кілька частот.

Мюллер побачив, що були більші можливості з вухами кажанів, які значно більш гнучкі, ніж людські вуха. Його команда вирішила використовувати одну частоту та один приймач замість кількох.

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

Розробка технології

Одним з перших кроків було відтворення здатності кажанів рухати вухами, що вони зробили, створивши м’яке синтетичне вухо, прикріплене до мотузки та простого двигуна. Ця система була синхронізована з рухом вуха під час прийому звуку.

Кажани, які послужили джерелом натхнення для нової технології, мають вуха з повною трансформацією звукових хвиль, яка базується на формі зовнішнього вуха. Ця частина вуха кажана використовує рух вуха під час прийому звуку для створення кількох форм для прийому, а звук каналізується у вуховій канал.

Одним з найбільших викликів, з якими зіткнулася команда, було витягування читаних та інтерпретованих даних з надходящих звукових хвиль. Для цього вони розмістили вухо над мікрофоном, щоб створити подібний механізм до кажана.

Через швидкі рухи зовнішнього вуха створювалися сигнатури зсуву Доплера, які були пов’язані з напрямком джерела звуку. Однак це все ще було складно інтерпретувати через складні закономірності.

Команда звернулась до глибокої нейронної мережі, тренуючи її для надання напрямку джерела з кожним прийомом ехо.

Система була протестована з вухом, встановленим на ротаційному верстаті, який включав лазерний вказівник. Гучномовець був розміщений у різних напрямках відносно вуха, і звуки були випущені.

Після визначення напрямку звуку контрольний комп’ютер повернув систему так, щоб лазерний вказівник потрапив на мішень на гучномовці, що дозволило точно визначити місце звуку з точністю до півградуса. Це вражаюче порівняно з попередніми результатами, які показали, що людські вуха зазвичай визначають місце звуку з точністю до 9 градусів, а сучасна технологія змогла визначити місце звуку лише з точністю до 7,5 градусів.

«Капабельності повністю виходять за рамки того, що зараз знаходиться в межах технології, і все це досягається з значно меншими зусиллями», – сказав Мюллер. «Наша надія полягає в тому, щоб забезпечити надійну та здатну автономію в складних зовнішніх середовищах, включаючи точне сільське господарство та лісівництво; моніторинг навколишнього середовища, такий як моніторинг біорізноманіття; а також оборонні та безпекові застосування».