研究人员开发基于蝙蝠耳的仿生技术

弗吉尼亚理工学院机械工程教授罗尔夫·穆勒（Rolf Mueller）从蝙蝠那里得到了灵感，设计并开发了一种新的仿生技术，可以确定声音的来源位置。与之前的方法不同，之前的方法通常基于人类的耳朵，穆勒研究了蝙蝠的耳朵，获得了50年来首次新的关于识别声音位置的见解。

“我一直对蝙蝠能够基于超声波在复杂的自然环境中导航的不可思议的能力感到惊讶，并怀疑动物耳朵的异常移动可能与此有关，”他说。

穆勒与前博士生和首席作者夏晓燕（Xiaoyan Yin）合作。研究结果发表在Nature Machine Intelligence。

蝙蝠耳与人类耳的比较

蝙蝠在飞行时依靠回声定位来导航，这使它们能够通过倾听回声来确定物体的距离。蝙蝠的嘴或鼻子发出超声波，超声波从环境中反弹回来形成回声。这种被称为多普勒效应的现象还可以从环境声音中提取信息。

这种效应与人类不同，人类的两只耳朵使我们能够通过大脑处理的声音数据来确定声音的位置。通过两个接收器，我们可以检测到仅包含一个频率的声音的方向。

1967年，一项发现表明，如果声音有不同的频率，单个人类耳朵就可以检测到声音的位置。

人类耳朵一直是过去检测声音位置方法的灵感来源，这些方法依赖于压力接收器，如麦克风和收集多个频率的能力。

穆勒认为蝙蝠耳比人类耳更有潜力。他的团队试图使用单一频率和单一接收器，而不是多个接收器。

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开发技术

首先，研究人员通过创建一个连接到绳子和简单电机的软合成耳来重现蝙蝠移动耳朵的能力。该系统的设计使耳朵在接收到入射声音时会颤动。

作为灵感来源的蝙蝠具有可以完全转换声波的耳朵，这是基于外耳的形状。蝙蝠耳的这一部分利用耳朵移动时接收到的声音来创建多个形状以接收声音，声音被引导到耳道中。

团队面临的最大挑战之一是从入射声波中提取可读和可解释的数据。为了实现这一点，他们将耳朵放在麦克风上方以创建一个类似于蝙蝠的机制。

由于外耳快速颤动，产生了多普勒移位签名，这些签名与声音的方向有关。然而，由于复杂的模式，仍然很难解释。

然后，团队转向了深度神经网络，并训练它以每次接收到回声时提供声音的来源方向。

该系统经过测试，耳朵被安装在一个带有激光指针的旋转机构上。然后，扬声器被放置在相对于耳朵的不同方向，并发出声音。

确定声音方向后，控制计算机旋转系统，使激光指针击中扬声器上的目标，结果将位置精确定位在半度以内。这与之前的结果相比非常令人印象深刻，之前的结果表明人类耳朵通常可以在9度内确定位置，而最先进的技术只能在7.5度内确定位置。

“这种能力完全超出了当前技术的范畴，然而所有这些都可以用更少的努力实现，”穆勒说。“我们的希望是将可靠和高效的自主性带到复杂的户外环境中，包括精确农业和林业；环境监测，如生物多样性监测；以及国防和安全相关的应用。”