Des chercheurs se sont inspirés de l'oreille de la chauve-souris pour créer une nouvelle approche de la localisation sonore
Passionné par le fonctionnement de l'oreille des chauves-souris, Rolf Mueller, professeur de génie mécanique à l'Institut de technologie de Virginie, a créé une technologie d'inspiration biologique qui détermine l'emplacement d'une source sonore.
La découverte du professeur repose sur un modèle de localisation sonore plus simple et plus précis que les approches précédentes, qui étaient traditionnellement modélisées sur l'oreille humaine. Ses travaux constituent la première nouvelle idée de localisation sonore depuis 50 ans. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue Nature Machine Intelligence.
« J'admire depuis longtemps les chauves-souris pour leur capacité surnaturelle à se repérer dans des environnements naturels complexes grâce aux ultrasons, et je soupçonnais que la mobilité inhabituelle de leurs oreilles pouvait y être pour quelque chose »
Un nouveau modèle de localisation sonore
Les chauves-souris s'orientent en vol grâce à l'écholocation : elles déterminent la proximité d'un objet en émettant en continu des sons et en écoutant les échos. Les signaux ultrasonores sortent de la bouche ou du nez de la chauve-souris, se réfléchissent sur les éléments de l'environnement et reviennent sous forme d'écho. Elles recueillent aussi des informations à partir des sons ambiants.
La comparaison des sons pour déterminer leur origine s'appelle l'effet Doppler. Chez l'oreille humaine, cet effet fonctionne différemment. La découverte de 1907 a montré que les humains peuvent localiser les sons grâce à leurs deux oreilles, des récepteurs qui transmettent les données sonores au cerveau pour traitement. Travailler avec deux récepteurs ou plus permet de déterminer la direction de sons ne contenant qu'une seule fréquence, comme chacun le sait pour avoir entendu un klaxon de voiture passer à proximité.
Un klaxon ne produit qu'une seule fréquence, mais les oreilles travaillent avec le cerveau pour construire une carte de la trajectoire de la voiture. La découverte de 1967 a montré que, lorsque le nombre de récepteurs se réduit à un, une seule oreille humaine peut localiser les sons si plusieurs fréquences sont présentes. Dans le cas d'une voiture qui passe, cela peut être le klaxon combiné au rugissement du moteur.
Selon Mueller, le fonctionnement de l'oreille humaine a inspiré les approches passées de localisation précise des sons, qui utilisaient des récepteurs de pression, comme des microphones, combinés à la capacité de capter plusieurs fréquences ou d'utiliser plusieurs récepteurs. Se fondant sur les recherches menées sur les chauves-souris, le professeur savait que leurs oreilles sont des récepteurs sonores bien plus polyvalents que l'oreille humaine. Cela a incité son équipe à viser une fréquence et un seul récepteur plutôt que plusieurs récepteurs ou fréquences.
Concevoir l'oreille
En travaillant sur un modèle à une seule fréquence et un seul récepteur, l'équipe de Mueller a cherché à reproduire la capacité de la chauve-souris à bouger ses oreilles. Ils ont créé une oreille synthétique souple, inspirée du rhinolophe et des chauves-souris de l'Ancien Monde, et l'ont fixée à une corde et à un moteur simple, afin qu'elle vibre en même temps que le son entrant.
Les chauves-souris possèdent des oreilles qui permettent de transformer les ondes sonores de manière complexe, si bien que le design naturel était un choix logique. Cette transformation commence avec la forme de l'oreille externe, appelée pavillon, qui utilise le mouvement de l'oreille lors de la réception des sons pour créer une multitude de formes de réception, dirigeant les sons vers le conduit auditif.
Le plus grand défi auquel les chercheurs ont été confrontés avec leur modèle à une fréquence et un seul récepteur était l'interprétation des signaux entrants. Comment transformer les ondes sonores entrantes en données lisibles et interprétables ?
Les scientifiques ont placé l'oreille au-dessus d'un microphone, créant un mécanisme semblable à celui de la chauve-souris. Les mouvements rapides du pavillon vibrant créaient des signatures de décalage Doppler, clairement liées à la direction de la source, mais leur interprétation était difficile en raison de la complexité des motifs. Pour y remédier, l'équipe de Mueller a fait appel à un réseau de neurones profond, une approche d'apprentissage automatique qui imite le traitement multicouche observé dans le cerveau.
Ils ont implémenté un tel réseau sur un ordinateur et l'ont entraîné à déterminer la direction de la source associée à chaque écho reçu. Pour tester les performances du système composé de l'oreille et de l'apprentissage automatique, ils ont installé l'oreille sur un support rotatif qui comportait également un pointeur laser. Des sons ont ensuite été émis depuis un haut-parleur placé dans différentes directions par rapport à l'oreille.
Une fois la direction du son déterminée, l'ordinateur de contrôle faisait pivoter le support pour que le pointeur laser atteigne une cible fixée au haut-parleur, localisant la source avec une précision d'un demi-degré. L'ouïe humaine localise généralement une source à 9 degrés près avec deux oreilles, et les meilleures technologies atteignent 7,5 degrés.
« Ces capacités dépassent largement ce que la technologie permet actuellement, et pourtant elles sont obtenues avec beaucoup moins d'efforts. Notre espoir est de permettre une autonomie fiable et fonctionnelle dans des environnements extérieurs complexes, notamment pour l'agriculture de précision et la foresterie, la surveillance environnementale, par exemple le suivi de la biodiversité, ainsi que des applications liées à la défense et à la sécurité »
Il reste encore beaucoup de travail avant que cela ne devienne praticable, mais les scientifiques voient déjà leur technologie inspirée des chauves-souris aider les robots à se déplacer sans effort dans des espaces ouverts « complexes ». C'est un rappel supplémentaire que la biomimétisme efficace ne repose pas forcément sur notre propre biologie.
