研究者がコウモリの耳の設計を応用し、新たな音源定位手法を開発
コウモリの耳の動きに魅了されたバージニア工科大学の機械工学教授ロルフ・ミュラー氏は、音源の位置を特定する生体模倣技術を開発した。
この教授の開発は、人間の耳をモデルにしてきた従来のアプローチよりも単純で正確な音源定位モデルに基づいている。彼の研究は、50年ぶりとなる音源定位の新しい考え方を示すものだ。研究結果は『Nature Machine Intelligence』誌に掲載された。
「私は長年、コウモリが超音波を使って複雑な自然環境の中を移動する驚異的な能力に感銘を受けてきました。そして、この動物の耳の特異な可動性がそれに何らかの関係があるのではないかと考えていました」
新しい音源定位モデル
コウモリは飛行中、エコーロケーションを用いて周囲を把握します。これは、音を絶えず発しながらその反響を聞き取り、物体までの距離を判断する仕組みです。超音波信号はコウモリの口または鼻から発せられ、周囲の物体に反射してエコーとして戻ってきます。また、周囲の音からも情報を得ています。
音を比較して発生源を特定する手法はドップラー効果と呼ばれます。人間の耳では、この効果は異なる形で働きます。1907年の発見により、人間は二つの耳、つまり音声データを脳に送って処理する受信器があることで位置を特定できることが分かりました。二つ以上の受信器を用いることで、単一の周波数を含む音の方向を特定できます。これは、近くで自動車のクラクションを聞いたことがある人なら誰にでも馴染みのある現象でしょう。
クラクションは単一の周波数であり、耳は脳と協働して車がどこへ向かっているのかの地図を作り上げます。1967年の発見によると、受信器が一つだけに減った場合でも、異なる周波数が含まれていれば、人間の片耳で音の位置を特定できることが示されました。走行中の車の場合、これはクラクションの音とエンジンの轟音の組み合わせが該当するかもしれません。
ミュラー氏によれば、人間の耳の働きは、マイクのような圧力受信器を用いて、複数の周波数を収集するか複数の受信器を使うという方法で、正確な音源定位を行う過去のアプローチに影響を与えてきました。コウモリの研究に基づき、教授はコウモリの耳が人間の耳よりもはるかに汎用性の高い音の受信器であることを知っていました。これが彼のチームに、複数の受信器や周波数の代わりに、単一の周波数と単一の受信器を目指すきっかけを与えました。
耳の創造
単一周波数・単一受信器のモデルに基づき、ミュラー氏のチームはコウモリが耳を動かす能力の再現を目指しました。馬蹄コウモリやオールドワールドコウモリに着想を得た柔らかい合成の耳を作り、ひもと簡単なモーターに取り付けて、入ってくる音に合わせて耳が震えるようにしました。
コウモリの耳は音波を複合的に変換する仕組みを持っているため、自然が作り出したこの設計を採用したのは理にかなった選択でした。この変換は外耳の形状、すなわち耳介から始まります。耳介は音を受け取る際に動くことで、音を耳の穴へと導くさまざまな受信形状を作り出します。
研究者たちが単一周波数・単一受信器のモデルで直面した最大の課題は、入ってくる信号の解釈でした。入ってくる音波を、読み取りと解釈が可能なデータにどう変換するのか。
研究者たちは、コウモリの仕組みに似た構造として、マイクの上に耳を配置しました。震える耳介の素早い動きは、音源の方向と明確に関連するドップラーシフトの特徴を生み出しましたが、その模様が複雑なため解釈は困難でした。これに対処するため、ミュラー氏のチームは深層ニューラルネットワークを用いました。これは脳で見られる多層的な処理を模倣する機械学習の手法です。
彼らはこのネットワークをコンピューター上に実装し、受信した各エコー信号に関連する音源の方向を特定するよう学習させました。耳と機械学習からなるシステムの性能を検証するために、耳を回転装置に取り付けました。この装置にはレーザーポインターも備えられていました。その後、耳に対してさまざまな方向に配置されたスピーカーから音を鳴らしました。
音の方向が特定されると、制御用コンピューターは装置を回転させ、レーザーポインターがスピーカーに取り付けられた標的に当たるようにしました。この方式で、位置を0.5度の精度で特定しました。人間は両耳を使った場合、通常9度以内で位置を特定でき、最良の技術では7.5度以内で特定できます。
「この可能性は、現在の技術で可能なことをはるかに超えていますが、それでもはるかに少ない労力で実現されます。私たちの望みは、精密農業や林業、生物多様性のモニタリングなどの環境観測、さらには防衛や安全保障に関わる用途を含め、複雑な外部環境における信頼性が高く機能的な自律性を実現することです」
実用化までにはまだ多くの作業が残っていますが、研究者たちは、コウモリに着想を得た自らの技術が、ロボットが『複雑な』開けた空間を苦労せず移動する助けになることを既に確認しています。効果的な生体模倣は、必ずしも私たち自身の生物学に基づく必要はないという、もう一つの示唆でもあります。
