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La tecnologia bio-ispirata dall’orecchio di pipistrello


Rolf Mueller, professore di ingegneria meccanica presso Virginia Tech, ha tratto ispirazione dai pipistrelli per progettare e sviluppare una nuova tecnologia bio-ispirata in grado di determinare la posizione di origine di un suono. A differenza degli approcci precedenti, che sono spesso basati sull’orecchio umano, Mueller ha guardato l’orecchio di un pipistrello per ottenere la prima nuova visione dell’identificazione della posizione del suono in 50 anni.

“Ho ammirato a lungo i pipistrelli per la loro straordinaria capacità di navigare in ambienti naturali complessi basati sugli ultrasuoni e sospettavo che l’insolita mobilità delle orecchie dell’animale potesse avere qualcosa a che fare con questo”, ha detto.

Pipistrello contro orecchio umano
I pipistrelli si affidano all’ecolocalizzazione per navigare durante il volo e consente loro di determinare la distanza di un oggetto ascoltando gli echi mentre emette suoni. La bocca o il naso del pipistrello emettono chiamate ultrasoniche, che rimbalzano sull’ambiente e ritornano come un’eco. Chiamati effetto Doppler, possono anche estrarre informazioni dai suoni ambientali.

Questo effetto è diverso quando si tratta degli esseri umani, con le nostre due orecchie che ci consentono di trovare la posizione attraverso i dati sonori che arrivano al cervello per l’elaborazione. Avendo due ricevitori, possiamo rilevare la direzione dei suoni quando contengono una sola frequenza.

Nel 1967, una scoperta ha dimostrato che un singolo orecchio umano può rilevare la posizione dei suoni se ci sono frequenze diverse.

L’orecchio umano è stato l’ispirazione per vari approcci alla rilevazione della posizione del suono in passato, che si sono basati su ricevitori di pressione come i microfoni e la capacità di raccogliere più frequenze.

Mueller vide che c’erano maggiori possibilità con le orecchie di pipistrello, che sono molto più versatili delle orecchie umane. Il suo team ha deciso di utilizzare una singola frequenza e un singolo ricevitore invece di più.

Monitoraggio del suono del laboratorio Mueller
Sviluppare la tecnologia
Uno dei primi passi è stato ricreare la capacità del pipistrello di muovere le orecchie, cosa che hanno fatto creando un morbido orecchio sintetico attaccato a una corda e un semplice motore. Questo sistema è stato sincronizzato con l’orecchio che svolazzava ogni volta che riceveva un suono in arrivo.

I pipistrelli che sono serviti da ispirazione per la nuova tecnologia hanno orecchie con una trasformazione completa delle onde sonore, che si basa sulla forma dell’orecchio esterno. Questa parte dell’orecchio del pipistrello utilizza il movimento dell’orecchio mentre riceve il suono per creare più forme per la ricezione, con il suono che viene incanalato nel condotto uditivo.

Una delle maggiori sfide affrontate dal team è stata quella di estrarre dati leggibili e interpretabili dalle onde sonore in arrivo. Per ottenere ciò, hanno posizionato l’orecchio sopra un microfono per creare un meccanismo simile al pipistrello.

A causa dei movimenti veloci dell’orecchio esterno svolazzante, sono state create le firme di spostamento Doppler e queste sono state correlate alla direzione della sorgente del suono. Tuttavia, non era ancora facile da interpretare a causa di schemi complessi.

Il team si è quindi rivolto a una rete neurale profonda, addestrandola a fornire la direzione della sorgente con ogni eco ricevuta.

Il sistema è stato testato con l’orecchio montato su un impianto rotante, che includeva un puntatore laser. Un altoparlante è stato quindi posizionato in direzioni diverse rispetto all’orecchio e sono stati emessi suoni.

Dopo aver determinato la direzione del suono, il computer di controllo ha ruotato il sistema in modo che il puntatore laser colpisse un bersaglio sull’altoparlante, il che ha portato a individuare la posizione entro mezzo grado. Ciò è impressionante se confrontato con i risultati precedenti, che hanno dimostrato che le orecchie umane di solito determinano la posizione entro 9 gradi e la tecnologia all’avanguardia è stata in grado di individuarla solo entro 7,5 gradi.

“Le capacità sono completamente al di là di ciò che è attualmente alla portata della tecnologia, eppure tutto questo è ottenuto con uno sforzo molto minore”, ha detto Mueller. “La nostra speranza è di portare un’autonomia affidabile e capace in ambienti esterni complessi, comprese l’agricoltura di precisione e la silvicoltura; sorveglianza ambientale, come il monitoraggio della biodiversità; così come le applicazioni relative alla difesa e alla sicurezza

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