Nhà nghiên cứu phát triển công nghệ cảm hứng sinh học dựa trên tai dơi

Rolf Mueller, giáo sư kỹ thuật cơ khí tại Virginia Tech, đã rút ra cảm hứng từ dơi để thiết kế và phát triển một công nghệ cảm hứng sinh học mới có thể xác định vị trí nguồn gốc của một âm thanh. Không giống như các phương pháp trước đây, thường dựa trên tai người, Mueller đã xem xét tai dơi để có được cái nhìn đầu tiên về việc xác định vị trí âm thanh trong 50 năm. 

“Tôi đã lâu rất ngưỡng mộ dơi vì khả năng phi thường của chúng trong việc điều hướng môi trường tự nhiên phức tạp dựa trên siêu âm và nghi ngờ rằng sự di chuyển không thường thấy của tai động vật có thể có liên quan đến điều này,” ông nói. 

Mueller được tham gia bởi cựu sinh viên tiến sĩ và tác giả chính Xiaoyan Yin. Những phát hiện được công bố trên Nature Machine Intelligence.

Tai dơi vs. Tai người 

Dơi dựa vào siêu âm để điều hướng khi bay, và điều này cho phép chúng xác định khoảng cách của một vật thể bằng cách lắng nghe các tiếng vang khi chúng gửi âm thanh. Miệng hoặc mũi của dơi phát ra các cuộc gọi siêu âm, mà sau đó sẽ bật lại môi trường và trở lại dưới dạng tiếng vang. Được gọi là hiệu ứng Doppler, chúng cũng có thể trích xuất thông tin từ các âm thanh xung quanh.

Hiệu ứng này khác khi nói đến con người, với hai tai của chúng ta cho phép chúng ta tìm vị trí thông qua dữ liệu âm thanh được gửi đến não để xử lý. Bằng cách có hai bộ thu, chúng ta có thể phát hiện hướng của âm thanh khi chúng chứa chỉ một tần số. 

Vào năm 1967, một khám phá cho thấy một tai người đơn独 có thể phát hiện vị trí của âm thanh nếu có các tần số khác nhau. 

Tai người đã là nguồn cảm hứng cho các phương pháp phát hiện vị trí âm thanh trong quá khứ, những phương pháp này đã dựa trên các bộ thu áp suất như micro và khả năng thu thập nhiều tần số. 

Mueller nhận thấy rằng có nhiều khả năng hơn với tai dơi, mà linh hoạt hơn nhiều so với tai người. Đội của ông đã thiết lập để sử dụng một tần số đơn và một bộ thu đơn thay vì nhiều. 

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

Phát triển công nghệ

Một trong những bước đầu tiên là tái tạo khả năng di chuyển tai của dơi, mà họ đã làm bằng cách tạo một tai tổng hợp mềm gắn vào một dây và một động cơ đơn giản. Hệ thống này được đồng bộ hóa với tai rung mỗi khi nhận được âm thanh đến. 

Dơi đã phục vụ như một nguồn cảm hứng cho công nghệ mới này có tai với sự biến đổi hoàn toàn của sóng âm, dựa trên hình dạng của vành tai ngoài. Phần này của tai dơi sử dụng chuyển động của tai khi nhận âm thanh để tạo ra nhiều hình dạng cho việc thu, với âm thanh được dẫn vào ống tai. 

Một trong những thách thức lớn nhất mà đội phải đối mặt là trích xuất dữ liệu có thể đọc và giải thích được từ các sóng âm thanh đến. Để đạt được điều này, họ đã đặt tai trên một micro để tạo ra một cơ chế tương tự như dơi. 

Do chuyển động nhanh của vành tai ngoài rung, các chữ ký Doppler shift đã được tạo ra, và những chữ ký này liên quan đến hướng của nguồn âm thanh. Tuy nhiên, nó vẫn không dễ dàng để giải thích do các mẫu phức tạp. 

Đội đã chuyển sang một mạng nơ-ron sâu, đào tạo nó để cung cấp hướng nguồn với mỗi âm thanh vang lại. 

Hệ thống đã được thử nghiệm với tai được gắn trên một giá đỡ quay, bao gồm một con trỏ laser. Một loa đã được đặt ở các hướng khác nhau so với tai, và âm thanh đã được phát ra. 

Sau khi xác định hướng của âm thanh, máy tính điều khiển đã quay hệ thống để con trỏ laser nhắm vào mục tiêu trên loa, kết quả là vị trí được xác định trong phạm vi nửa độ. Điều này ấn tượng khi so sánh với các kết quả trước đây, đã chứng minh rằng tai người thường xác định vị trí trong phạm vi 9 độ, và công nghệ tiên tiến nhất chỉ có thể xác định vị trí trong phạm vi 7,5 độ. 

“Khả năng này hoàn toàn vượt quá tầm với của công nghệ hiện tại, và tất cả đều được thực hiện với ít nỗ lực hơn,” Mueller nói. “Hy vọng của chúng tôi là mang lại tự chủ đáng tin cậy và có khả năng cho các môi trường ngoài trời phức tạp, bao gồm nông nghiệp và lâm nghiệp chính xác; giám sát môi trường, chẳng hạn như giám sát đa dạng sinh học; cũng như các ứng dụng liên quan đến quốc phòng và an ninh.”