Дослідник розробляє біологічну технологію на основі вуха кажана

Рольф Мюллер, професор машинобудування Технічного університету Вірджинії, черпав натхнення у кажанів, щоб спроектувати та розробити нову біологічну технологію, яка може визначати місце походження звуку. На відміну від попередніх підходів, які часто базуються на людському вусі, Мюллер подивився на вухо кажана, щоб отримати перше за 50 років нове уявлення про визначення місця розташування звуку. 

«Я давно захоплювався кажанами за їх дивовижну здатність орієнтуватися в складному природному середовищі на основі ультразвуку і підозрював, що незвичайна рухливість вух тварини може мати якесь відношення до цього», — сказав він. 

До Мюллера приєднався колишній докторант і провідний автор Сяоянь Інь. Висновки були опубліковані в Природний машинний інтелект.

Кажан проти людського вуха 

Кажани покладаються на ехолокацію, щоб орієнтуватися під час польоту, і це дозволяє їм визначати відстань до об’єкта, слухаючи луну, коли він посилає звуки. Рот або ніс кажана видає ультразвукові звуки, які відбиваються від навколишнього середовища і повертаються у вигляді луни. Називається ефектом Доплера, вони також можуть отримувати інформацію з навколишніх звуків.

Цей ефект відрізняється від людей: наші два вуха дозволяють нам знаходити місцезнаходження за допомогою звукових даних, які надходять у мозок для обробки. Маючи два приймачі, ми можемо визначити напрямок звуків, коли вони містять лише одну частоту. 

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

Людське вухо було джерелом натхнення для різних підходів до визначення місця розташування звуку в минулому, які покладалися на приймачі тиску, такі як мікрофони, і здатність збирати кілька частот. 

Мюллер побачив, що є більші можливості з вухами кажанів, які набагато універсальніші, ніж людські. Його команда вирішила використовувати одну частоту й один приймач замість кількох. 

Розробка технології

Одним із перших кроків було відтворення здатності кажана рухати вухами, що вони й зробили, створивши м’яке синтетичне вухо, прикріплене до мотузки та простого двигуна. Ця система вираховувала час, коли вухо тріпотіло щоразу, коли воно отримувало вхідний звук. 

Кажани, які послужили натхненням для нової технології, мають вуха з повною трансформацією звукових хвиль, що базується на формі зовнішнього вуха. Ця частина вуха кажана використовує рух вуха під час сприйняття звуку, щоб створювати різні форми для прийому, при цьому звук спрямовується у слуховий прохід. 

Одна з найбільших проблем, з якою зіткнулася команда, полягала в тому, щоб отримати читабельні та інтерпретовані дані з вхідних звукових хвиль. Щоб досягти цього, вони помістили вухо над мікрофоном, щоб створити механізм, подібний до кажана. 

Через швидкі рухи тріпотливого зовнішнього вуха створювалися сигнатури доплерівського зсуву, пов’язані з напрямком джерела звуку. Однак це все одно було нелегко інтерпретувати через складні візерунки. 

Потім команда звернулася до глибокої нейронної мережі, навчивши її забезпечувати напрям джерела з кожним отриманим відлунням. 

Система була протестована з вухом, встановленим на обертовій установці, яка включала лазерну указку. Потім гучномовець розміщувався в різних напрямках відносно вуха, і видавалися звуки. 

Визначивши напрямок звуку, керуючий комп’ютер повернув систему так, щоб лазерна указка влучила в ціль на гучномовці, що призвело до точного визначення місця розташування з точністю до півградуса. Це вражає порівняно з попередніми результатами, які продемонстрували, що людські вуха зазвичай визначають місцезнаходження в межах 9 градусів, а найсучасніші технології змогли визначити його лише в межах 7.5 градусів. 

«Можливості повністю виходять за рамки того, що зараз доступні технологіям, але все це досягається з набагато меншими зусиллями», — сказав Мюллер. «Ми сподіваємося забезпечити надійну та потужну автономність для складних зовнішніх середовищ, включаючи точне землеробство та лісове господарство; нагляд за навколишнім середовищем, наприклад, моніторинг біорізноманіття; а також програми, пов’язані з обороною та безпекою».