Исследователи использовали дизайн уха летучей мыши для разработки нового подхода к звуковой локации
Увлеченный работой уха летучей мыши Рольф Мюллер, профессор машиностроения в Технологическом институте Вирджинии, создал био-вдохновленную технологию, которая определяет местоположение источника звука.
Разработка профессора основана на более простой и точной модели местоположения звука, чем предыдущие подходы, которые традиционно моделировались по образцу человеческого уха. Его работа знаменует собой первую новую идею определения местоположения звука за 50 лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Machine Intelligence.
«Я давно восхищаюсь летучими мышами за их сверхъестественную способность ориентироваться в сложных природных условиях на основе ультразвука и подозревал, что необычная подвижность ушей животного может иметь какое-то отношение к этому»
Новая модель звуковой локации
Летучие мыши ориентируются во время полета, используя эхолокацию — определяя, насколько близко находится объект, непрерывно издавая звуки и слушая эхо. Ультразвуковые сигналы исходят изо рта или носа летучей мыши, отражаясь от элементов окружающей среды и возвращаясь в виде эха. Они также получают информацию из окружающих звуков.
Сравнение звуков для определения их происхождения называется эффектом Доплера. В человеческом ухе этот эффект работает иначе. Открытие 1907 года показало, что люди могут находить местоположение благодаря наличию двух ушей — приемников, которые передают звуковые данные в мозг для обработки. Работа с двумя или более приемниками позволяет определить направление звуков, содержащих только одну частоту, и будет знакома любому, кто слышал звук автомобильного гудка, когда он происходит рядом.
Гудок — это одна частота, а уши работают вместе с мозгом, чтобы построить карту того, куда едет машина. Открытие 1967 года показало, что, когда количество приемников сокращается до одного, одно человеческое ухо может определять местоположение звуков, если встречаются разные частоты. В случае проезжающей машины это может быть автомобильный гудок в сочетании с ревом двигателя.
По словам Мюллера, работа человеческого уха вдохновила прошлые подходы к точному определению местоположения звука, в которых использовались приемники давления, такие как микрофоны, в сочетании с возможностью либо собирать несколько частот, либо использовать несколько приемников. Основываясь на исследованиях с летучими мышами, профессор знал, что их уши являются гораздо более универсальными приемникам звука, чем человеческое ухо. Это побудило его команду преследовать цель одной частоты и одного приемника вместо нескольких приемников или частот.
Создание уха
Работая на основе одночастотной модели с одним приемником, команда Мюллера стремилась воспроизвести способность летучей мыши двигать ушами. Они создали мягкое синтетическое ухо, вдохновленное подковой и летучими мышами Старого Света, и прикрепили его к веревке и простому мотору, чтобы ухо трепетало одновременно с входящим звуком.
У летучих мышей есть уши, которые позволяют комплексно преобразовывать звуковые волны, поэтому готовый дизайн природы был логичным выбором. Это преобразование начинается с формы внешнего уха, называемого ушной раковиной, которая использует движение уха при получении звуков для создания множества форм приема, направляющих звуки в слуховой проход.
Самая большая проблема, с которой столкнулись исследователи в своей одночастотной модели с одним приемником, заключалась в интерпретации входящих сигналов. Как превратить входящие звуковые волны в читаемые и интерпретируемые данные?
Ученые поместили ухо над микрофоном, создав механизм, похожий на механизм летучей мыши. Быстрые движения трепещущей ушной раковины создавали сигнатуры доплеровского сдвига, которые были явно связаны с направлением источника, но их было трудно интерпретировать из-за сложности рисунков. Чтобы справиться с этим, команда Мюллера задействовала глубокую нейронную сеть — подход машинного обучения, который имитирует многоуровневую обработку, обнаруженную в мозге.
Они реализовали такую сеть на компьютере и обучили его определять направление источника, связанное с каждым полученным эхо-сигналом. Чтобы проверить производительность системы, состоящей из уха и машинного обучения, они установили ухо на вращающуюся установку, которая также включала лазерную указку. Затем звуки издавались из громкоговорителя, который располагался в разных направлениях относительно уха.
Как только направление звука было определено, управляющий компьютер поворачивал установку так, чтобы лазерный указатель попадал в цель, прикрепленную к громкоговорителю, определяя местоположение с точностью до половины градуса. Человеческий слух обычно определяет местоположение в пределах 9 градусов при работе двумя ушами, а лучшие технологии позволяют определять местоположение в пределах 7,5 градусов.
«Возможности полностью выходят за рамки того, что в настоящее время доступно технологиям, и все же все это достигается с гораздо меньшими усилиями. Наша надежда — обеспечить надежную и функциональную автономность сложной внешней среды, включая точное земледелие и лесное хозяйство, наблюдение за окружающей средой, например, мониторинг биоразнообразия, а также применения, связанные с обороной и безопасностью»
Все еще остается много работы, прежде чем это станет практичным, но ученые уже видят, как их технология, основанная на летучих мышах, помогает роботам перемещаться по «сложным» открытым пространствам без особых усилий. Это еще одно напоминание о том, что эффективная биомимикрия не обязательно основана на нашей собственной биологии.
