Investigadores usaron el diseño de la oreja de un murciélago para desarrollar un nuevo enfoque de localización acústica
Rolf Mueller, profesor de ingeniería mecánica en el Instituto Politécnico de Virginia, fascinado por la oreja de los murciélagos, creó una tecnología de inspiración biológica que determina la ubicación de una fuente de sonido.
El desarrollo del profesor se basa en un modelo de localización del sonido más sencillo y preciso que los enfoques anteriores, que tradicionalmente se modelaban a partir del oído humano. Su trabajo marca la primera nueva idea para localizar sonidos en 50 años. Los resultados del estudio se publicaron en la revista Nature Machine Intelligence.
«Desde hace tiempo admiro a los murciélagos por su sobrenatural capacidad para orientarse en entornos naturales complejos mediante ultrasonidos, y sospechaba que el inusual movimiento de sus orejas podía tener algo que ver con ello»
Nuevo modelo de localización acústica
Los murciélagos se orientan en vuelo mediante ecolocalización: determinan qué tan cerca está un objeto emitiendo sonidos de forma continua y escuchando el eco. Los señales ultrasónicas salen de la boca o la nariz del murciélago, rebotan en los elementos del entorno y regresan como eco. También obtienen información de los sonidos ambientales.
Comparar sonidos para determinar su origen se denomina efecto Doppler. En el oído humano este efecto funciona de otra manera. Un descubrimiento de 1907 mostró que las personas pueden localizar sonidos gracias a tener dos oídos, receptores que transmiten los datos sonoros al cerebro para su procesamiento. Trabajar con dos o más receptores permite determinar la dirección de sonidos que contienen una sola frecuencia, algo que resultará familiar a cualquiera que haya oído el claxon de un coche cuando pasa cerca.
El claxon es una sola frecuencia, y los oídos trabajan junto con el cerebro para construir un mapa de hacia dónde se dirige el coche. Un descubrimiento de 1967 mostró que, cuando el número de receptores se reduce a uno, un solo oído humano puede localizar sonidos si se presentan frecuencias diferentes. En el caso de un coche que pasa, podría tratarse del claxon combinado con el rugido del motor.
Según Mueller, el funcionamiento del oído humano inspiró enfoques anteriores para localizar sonidos con precisión, que empleaban receptores de presión, como micrófonos, combinados con la posibilidad de captar varias frecuencias o usar varios receptores. Basándose en investigaciones con murciélagos, el profesor sabía que sus orejas son receptores de sonido mucho más versátiles que el oído humano. Esto llevó a su equipo a perseguir el objetivo de una sola frecuencia y un solo receptor en lugar de varios receptores o frecuencias.
Creación del oído
Partiendo de un modelo de una sola frecuencia con un receptor, el equipo de Mueller buscó reproducir la capacidad del murciélago para mover las orejas. Crearon una oreja sintética blanda, inspirada en el murciélago herradura y los murciélagos del Viejo Mundo, y la fijaron a una cuerda y a un motor sencillo para que la oreja vibrara al mismo tiempo que el sonido entrante.
Los murciélagos tienen orejas que les permiten transformar las ondas sonoras de forma compleja, por lo que el diseño terminado de la naturaleza fue una elección lógica. Esta transformación comienza con la forma de la oreja externa, llamada pabellón auricular, que utiliza el movimiento de la oreja al recibir sonidos para crear múltiples formas de captación que dirigen los sonidos hacia el conducto auditivo.
El mayor problema al que se enfrentaron los investigadores en su modelo de una sola frecuencia con un receptor fue interpretar las señales entrantes. ¿Cómo convertir las ondas sonoras entrantes en datos legibles e interpretables?
Los científicos colocaron la oreja sobre un micrófono, creando un mecanismo similar al del murciélago. Los movimientos rápidos del pabellón vibrante generaban firmas de desplazamiento Doppler que estaban claramente relacionadas con la dirección de la fuente, pero eran difíciles de interpretar por la complejidad de los patrones. Para resolverlo, el equipo de Mueller empleó una red neuronal profunda, un enfoque de aprendizaje automático que imita el procesamiento en varios niveles que se observa en el cerebro.
Implementaron esa red en un ordenador y lo entrenaron para determinar la dirección de la fuente asociada a cada eco recibido. Para comprobar el rendimiento del sistema formado por la oreja y el aprendizaje automático, colocaron la oreja en una plataforma giratoria que también incluía un puntero láser. Luego, se emitieron sonidos desde un altavoz situado en distintas direcciones respecto a la oreja.
Una vez determinada la dirección del sonido, el ordenador de control giraba la plataforma para que el puntero láser apuntara al objetivo fijado al altavoz, localizando la posición con una precisión de medio grado. El oído humano suele localizar en un rango de 9 grados usando ambos oídos, y las mejores tecnologías logran localizar dentro de 7,5 grados.
«Las posibilidades superan con creces lo que la tecnología permite actualmente, y aun así todo se logra con un esfuerzo mucho menor. Nuestra esperanza es permitir una autonomía fiable y funcional en entornos exteriores complejos, incluidas la agricultura de precisión y la silvicultura, la vigilancia ambiental, por ejemplo el seguimiento de la biodiversidad, así como aplicaciones relacionadas con la defensa y la seguridad»
Todavía queda mucho trabajo antes de que esto sea práctico, pero los científicos ya ven cómo su tecnología, basada en los murciélagos, ayuda a los robots a desplazarse por espacios abiertos «complejos» sin demasiado esfuerzo. Es un recordatorio más de que la biomimética eficaz no necesariamente se basa en nuestra propia biología.
