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良好的位置

由弗吉尼亚理工大学的亚历克斯·帕里什提供

受到蝙蝠的启发,弗吉尼亚理工大学机械工程教授罗尔夫·穆勒设计了一种定位声音来源的最佳设备。

仿生设计-从自然和深度学习人工智能的帮助-超越了当前的技术和我们自己的人类耳朵。

穆勒相信,他的技术有朝一日可以让无人驾驶飞机使用类似蝙蝠的回声定位技术飞行。

听力:声音定位是人类的天性。当你听到汽车开过来的声音时,你可能会注意到,由于你头部两侧的立体声麦克风(耳朵),你可能可以分辨出汽车来自哪个方向。

根据弗吉尼亚理工大学的日常1907年,美国科学家发现了人类耳朵声音定位的原理。通过使用我们的两只耳朵和多普勒效应(想想警报器是如何根据它是朝着你还是远离你而改变音调的),我们可以确定一个单一频率的位置。

穆勒说,大多数声音定位技术都是通过人耳来实现的,通过使用麦克风等接收器收集多个声音频率或使用多个“耳朵”。

但问题是:虽然我们的耳朵工作得足够好,但在声音定位方面我们还远远不够。

蝙蝠做得更好:蝙蝠非常擅长声音定位,它们可以通过回声定位来导航半空中的环境。通过定期发出超声波,就像潜艇声纳一样你可以在电影中听到——蝙蝠通过听回声可以确定一个物体离你有多近。

蝙蝠甚至可以用一只耳朵和一个信号来精确定位物体,穆勒希望通过他的装置来实现这种能力。

穆勒和首席作者尹晓燕基于他们的设计,发表在自然机器智能马蹄形蝙蝠和东半球叶鼻蝙蝠的耳朵上有这样的印记。这些蝙蝠的耳朵像纽约风格的薄片,这种外部形状——称为耳廓——在它们的声音定位中扮演着重要的角色。

“我们没有设计穆勒通过Zoom表示。“我们只是模仿蝙蝠。”

蝙蝠的耳朵不仅仅是被动的接收器——它们实际上通过转换声波来定位物体。通过极快地操纵它们的耳朵——在十分之一秒内,穆勒说——蝙蝠使声波变形,在耳朵内部产生多普勒效应。(他首先注意到这些快速的动作是因为当他为研究拍摄某些蝙蝠的耳朵时,它们的耳朵总是很模糊。)

良好的位置

一种较大的马蹄形蝙蝠。一些蝙蝠的更大、更柔软的外耳——称为耳廓——通过制造多普勒效应来帮助它们定位物体,使蝙蝠能够进行回声定位。资料来源:Nils Bouillard / Unsplash

为了更好地再现蝙蝠的工作方式,研究人员将他们的人造蝙蝠耳朵与一根绳子和一个马达连接起来,让它在听到声音时摆动,模仿蝙蝠的能力——尽管这种方法要简单得多。

蝙蝠耳朵里有20多块肌肉,而人类只有4块。穆勒说,这些肌肉速度非常快,当蝙蝠在听的时候,它们可以做出复杂的模式,并做出一系列看起来像单手时尚的动作来说明。

“超出目前技术所能达到的范围”:通过在他们的合成蝙蝠耳中放置一个麦克风,并摆动它来产生多普勒偏移,Mueller和Yin能够收集到可以用于声音定位的信号——但这些信号非常复杂。

他们使用了一种深度学习算法,该算法经过训练可以提供声音信号的源方向。

研究人员将他们的系统放在一个旋转的钻机上进行测试。声音从放置在耳朵周围的各种扬声器中发出。装上激光笔后,人造蝙蝠耳转向以定位声音的来源,瞄准附着在扬声器上的目标。

“我们没有设计它。我们只是模仿蝙蝠。”

罗尔夫穆勒

在他们的测试中,声音定位能够在0.5度内被精确定位。这远远好于人耳,人耳可以在9度内定位,最好的技术也基于人耳,达到了7.5度。

米勒在接受《弗吉尼亚理工日报》采访时表示:“这些能力完全超出了目前的技术所能达到的水平,但所有这些都是用更少的努力实现的。”

他只是广泛地复制了蝙蝠的能力,这意味着可能还有改进的空间。

米勒说:“我们正在研制一种带有软机器人驱动器的机器人。”

“我不知道你能走多远,但如果你能做到0.1度,我也不会感到惊讶。”

通过声音定位导航:虽然这项技术的潜在海上和军事意义是显而易见的——一枚带有更精确声纳套件的鱼雷更有可能击中目标——但这并不是米勒为他的工作考虑的最终目标。

相反,穆勒的灵感来自于自动机器人。

“我想创造一种像蝙蝠一样飞行的无人机,”穆勒说,他熟练地躲避树木,在天空中飞翔。

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