研究人员借鉴蝙蝠耳朵设计,开发出声源定位新方法
痴迷于蝙蝠耳朵结构的弗吉尼亚理工学院机械工程教授鲁尔夫·米勒,研制出一种受生物启发的技术,能够确定声源的位置。
这位教授的研发基于一种比以往方法更简单、更精确的声源定位模型,以往方法传统上是模仿人类耳朵建立的。他的工作标志着50年来首次出现全新的声源定位思路。研究结果发表在Nature Machine Intelligence上。
“我long期以来一直惊叹于蝙蝠依靠超声波在复杂自然环境中定位的非凡能力,并怀疑这种动物可以活动的耳朵或许与此有关”
全新的声源定位模型
蝙蝠在飞行中依靠回声定位来导航,即通过持续发出声音并聆听回声来判断物体有多近。超声波信号从蝙蝠的嘴或鼻发出,被周围环境反射后以回声的形式返回。它们还会从周围的声音中获取信息。
比较声音以判断其来源被称为多普勒效应。人耳的情况则有所不同。1907年的一项发现表明,人类能够借助两只耳朵定位声音,双耳作为接收器将声音数据传送到大脑进行处理。使用两个或更多接收器,可以确定只包含单一频率的声音方向,任何在身边听过汽车喇叭声的人都会对此很熟悉。
喇叭声是单一频率,而耳朵与大脑协同工作,构建出汽车行驶方向的地图。1967年的一项发现表明,当接收器减少到一个时,如果出现不同频率的声音,人的单只耳朵也能定位声音。在经过的汽车场景中,这可能是喇叭声与发动机轰鸣声的组合。
米勒表示,人耳的工作原理启发了过去一些精确声源定位的方法,这些方法使用麦克风等压力接收器,并结合采集多个频率或使用多个接收器的方式。基于对蝙蝠的研究,教授意识到它们的耳朵比人耳更加多功能。这促使他的团队选择以单一频率和单一接收器为目标,而不是使用多个接收器或频率。
制造人工耳
米勒团队以单频单接收器模型为基础,力求复现蝙蝠移动耳朵的能力。他们制作了一只受马蹄蝠和旧大陆蝙蝠启发的柔软合成耳朵,并将其连接到一根绳索和一个简单的电机上,使耳朵在入射声音的同时颤动。
蝙蝠的耳朵能够对声波进行综合转换,因此自然界现成的设计是合理的选择。这种转换始于外耳的形状,即耳廓,耳廓在接收声音时借助耳朵的运动形成多种接收形态,将声音引导进入耳道。
研究人员在单频单接收器模型中面临的最大难题,是如何解读入射信号。如何将入射的声波转化为可读、可解释的数据?
科学家将耳朵放置在麦克风上方,构建了一个类似蝙蝠的机构。颤动耳廓的快速运动产生了多普勒频移特征,这些特征明确与声源方向相关,但由于图案复杂而难以解读。为解决这一问题,米勒团队采用了深度神经网络——一种模仿大脑中多层处理方式的机器学习方法。
他们在计算机上实现了这样的网络,并训练它判断与每个接收到的回声信号相对应的声源方向。为了测试由耳朵和机器学习组成的系统性能,他们将耳朵安装在一个旋转装置上,该装置还配有激光指示器。随后,声音从相对于耳朵处于不同方向的扬声器播放。
一旦确定声音方向,控制计算机便会转动装置,使激光指示器对准固定在扬声器上的目标,定位精度可达半度。人类双耳听觉的定位误差通常在9度以内,而最好的技术可以将误差控制在7.5度以内。
“其潜力远远超出了目前技术的范围,而且所需的努力要少得多。我们希望为复杂外部环境中可靠、实用的自主系统提供支持,包括精准农业和林业、生物多样性监测等环境观测,以及国防和安全相关应用”
要使这项技术实用化仍需大量工作,但科学家已经看到,这项基于蝙蝠的技术正在帮助机器人轻松穿越“复杂”的开放空间。这再次提醒我们,高效的仿生学未必只能借鉴我们自身的生物学。
