استلهم باحثون تصميم أذن الخفاش لتطوير نهج جديد لتحديد موقع الصوت
المهندس رولف مولر، أستاذ الهندسة الميكانيكية في معهد فيرجينيا للتكنولوجيا، المفتون بعمل أذن الخفاش، طور تقنية مستوحاة من الطبيعة تحدد موقع مصدر الصوت.
يتميز تصميم الأستاذ بنموذج أبسط وأدق لتحديد موقع الصوت مقارنة بالنهج السابقة، التي كانت تُنمذج تقليدياً على غرار الأذن البشرية. ويمثل عمله أول فكرة جديدة لتحديد موقع الصوت منذ 50 عاماً. نُشرت نتائج الدراسة في مجلة Nature Machine Intelligence.
«لطالما أعجبت بالخفافيش لقدرتها الخارقة على التنقل في الظروف الطبيعية المعقدة بالاعتماد على الموجات فوق الصوتية، وكنت أشك في أن الحركة غير المعتادة لآذان الحيوان قد تكون لها علاقة بذلك»
نموذج جديد لتحديد موقع الصوت
تتوجه الخفافيش أثناء الطيران باستخدام تحديد الموقع بالصدى، أي تحديد مدى قرب الجسم عبر إصدار أصوات باستمرار والاستماع إلى الصدى. تنبعث الإشارات فوق الصوتية من فم الخفاش أو أنفه، فترتد عن عناصر البيئة المحيطة وتعود على شكل صدى. كما تحصل الخفافيش على معلومات من الأصوات المحيطة بها.
مقارنة الأصوات لتحديد مصدرها تسمى تأثير دوبلر. في الأذن البشرية يعمل هذا التأثير بشكل مختلف. وأظهر اكتشاف عام 1907 أن البشر يستطيعون تحديد المواقع بفضل وجود أذنين تعملان كمستقبلين ينقلان بيانات الصوت إلى الدماغ للمعالجة. ويتيح العمل بمستقبلين أو أكثر تحديد اتجاه الأصوات ذات التردد الواحد، وهو أمر مألوف لكل من سمع صوت بوق سيارة عندما يمر بالقرب منه.
البوق نغمة تردد واحد، بينما تعمل الأذنان مع الدماغ لبناء خريطة لاتجاه حركة السيارة. وأظهر اكتشاف عام 1967 أنه عندما يتقلص عدد المستقبلات إلى واحد، تستطيع أذن بشرية واحدة تحديد مواقع الأصوات إذا اختلفت الترددات. وفي حالة السيارة المارة، قد يكون ذلك بوق السيارة مع زئير المحرك.
يقول مولر إن عمل الأذن البشرية ألهم النهج السابقة لتحديد موقع الصوت بدقة، والتي استخدمت مستقبلات ضغط مثل الميكروفونات، مع إمكانية جمع عدة ترددات أو استخدام عدة مستقبلات. واستناداً إلى دراسات الخفافيش، عرف الأستاذ أن آذانها أكثر تنوعاً بكثير في استقبال الصوت من الأذن البشرية. وقد دفع ذلك فريقه إلى السعي لتحقيق هدف تردد واحد ومستقبل واحد بدلاً من عدة مستقبلات أو ترددات.
صناعة الأذن
اعتماداً على نموذج أحادي التردد مع مستقبل واحد، سعى فريق مولر إلى محاكاة قدرة الخفاش على تحريك أذنيه. فصنعوا أذناً اصطناعية مرنة مستوحاة من الخفاش ذي الأنف الحدوي وخفافيش العالم القديم، وثبتوها بحبل ومحرك بسيط لتهتز الأذن مع الصوت الوارد.
تمتلك الخفافيش آذاناً تتيح تحويل الموجات الصوتية بشكل شامل، ولذلك كان التصميم الطبيعي الجاهز خياراً منطقياً. يبدأ هذا التحويل من شكل الأذن الخارجية، المسماة صيوان الأذن، الذي يستخدم حركة الأذن عند استقبال الأصوات لإنشاء أشكال متعددة للاستقبال توجه الأصوات نحو القناة السمعية.
أكبر تحدٍّ واجهه الباحثون في نموذجهم أحادي التردد والمستقبل الواحد كان تفسير الإشارات الواردة. كيف يمكن تحويل الموجات الصوتية الواردة إلى بيانات قابلة للقراءة والتفسير؟
وضع العلماء الأذن فوق ميكروفون، لإنشاء آلية تشبه آلية الخفاش. أنتجت الحركات السريعة لصيوان الأذن المهتز تواقيع إزاحة دوبلر، المرتبطة بوضوح باتجاه المصدر، لكن تفسيرها كان صعباً بسبب تعقد الأنماط. وللتعامل مع ذلك، استعان فريق مولر بشبكة عصبية عميقة، وهي نهج في تعلم الآلة يحاكي المعالجة متعددة المستويات الموجودة في الدماغ.
نفذوا هذه الشبكة على الحاسوب ودربوها على تحديد اتجاه المصدر المرتبط بكل صدى مستقبل. ولاختبار أداء النظام المكون من الأذن والتعلم الآلي، ثبتوا الأذن على منصة دوارة تضم أيضاً مؤشراً ليزرياً. ثم أُصدرت أصوات من مكبر صوت وُضع في اتجاهات مختلفة بالنسبة للأذن.
وبمجرد تحديد اتجاه الصوت، كان الحاسوب المتحكم يدور المنصة بحيث يقع مؤشر الليزر على الهدف المثبت على مكبر الصوت، فيحدد الموقع بدقة تصل إلى نصف درجة. ويحدد السمع البشري الموقع عادة في نطاق 9 درجات عند العمل بالأذنين، وتتيح أفضل التقنيات تحديده في نطاق 7.5 درجة.
«الإمكانات تتجاوز تماماً ما هو متاح حالياً للتقنيات، ومع ذلك تتحقق كل ذلك بجهد أقل بكثير. أملنا هو توفير استقلالية موثوقة وفعالة في البيئات الخارجية المعقدة، بما في ذلك الزراعة الدقيقة والحراجة، ومراقبة البيئة، مثل رصد التنوع البيولوجي، إضافة إلى التطبيقات المتعلقة بالدفاع والأمن»
لا يزال هناك الكثير من العمل قبل أن تصبح هذه التقنية عملية، لكن العلماء يرون بالفعل كيف تساعد تقنيتهم المستوحاة من الخفافيش الروبوتات على التنقل عبر المساحات المفتوحة «المعقدة» دون جهد يذكر. وهذا تذكير آخر بأن المحاكاة الحيوية الفعالة لا تعتمد بالضرورة على بيولوجيتنا نحن.
