Technici bouwen compacte 'vleermuizen'-sonar voor robots

Ingenieurs van Virginia Tech in de Verenigde Staten hebben een sonarsysteem gebouwd dat is geïnspireerd op de vleermuizensoort hoefijzerneus om te worden toegepast in robots. De onderzoekers denken zo uiteindelijk een efficiëntere en kleinere sonar te kunnen maken.

Een prototype van het systeem werd woensdag gepresenteerd tijdens de 169e bijeenkomst van de Acoustical Society of America. Het uiteindelijke systeem moet vergelijkbare precisie bieden als geavanceerde professionele sonar-arrays, maar met een fractie van het verbruik en met aanzienlijk minder onderdelen. Het systeem is gebaseerd op het biologische echolocatiesysteem van de hoefijzerneus. De hoefijzerneus is een vleermuizenfamilie die jaagt in dicht beboste omgevingen, waardoor het dier gebruik moet maken van zeer precieze en snelle echolocatie.

De onderzoekers gaan niet over één nacht ijs. Hoofdonderzoeker Rolf Mueller is al enkele jaren bezig met onderzoek aan vleermuizen en in het bijzonder de hoefijzerneus om op den duur een goede echolocatietechnologie te ontwikkelen voor robots. De hoefijzerneus blijkt over goede echolocatie te beschikken, doordat de neus van het dier bijna twee keer zo lang is als die van andere vleermuizen. Hij gebruikt die neus om echolocatiesignalen te richten. De diertjes gebruiken de frequentiespecifieke eigenschappen van verschillende toonhoogten door de fysieke eigenschappen van oren en neus aan te passen. Dat wisselen gebeurt in tienden van seconden, tot drie keer zo snel als een mens met de ogen kan knipperen.

Door de dieren te filmen en zo de bewegingen vast te leggen met hogesnelheidscamera's, kon goed gevolgd worden hoe de vleermuizen hun oren van vorm veranderen. Met laser-dopplermetingen die snelheid kunnen meten, kon ook vastgelegd worden hoe de dieren hun neus vervormen.

Het door de ingenieurs gebouwde systeem bootst de vleermuis na met een zender en twee ontvangstkanalen voor het geluid. Door enkele van de basisbewegingen van de oren en de neus van de vleermuis na te bootsen, kan de robot de richting bepalen.

Philip Caspers/Virginia Tech

Reacties (25)

[Wild Fox333]

Toch best wel waanzinnig dat we nog steeds zo veel uit de natuur kunnen kopiëren (zal wel wat meer fine tuning nodig hebben gezien de afbeelding).

Ik vraag mij wel af of ze aan de hand hiervan hun sonars kunnen verkleinen zonder dat deze eruit moeten gaan zien als een vleermuis of dat het echt puur ligt aan de vorm en kunde van de vleermuis.

[sarkout]

Miljoenen jaren evolutie. Dit is dé perfecte vorm van een sonar.

Maar natuurlijk is die vorm dan ook gespecialiseerd in het opsporen van kleinere insecten etc. Andere toepassingen zouden een andere vorm nodig hebben om 100% efficient te zijn.

[Anoniem: 20901]

Ik weet niet of je wel eens een vleermuis op insectenjacht hebt gezien, maar tis toch een hoop moeite voor ze een volle buik hebben, dus zo heel perfect is het allemaal nog niet ondanks al die miljoenen jaren evolutie.

[NLAnaconda]

Als je een beetje weet wat evolutie is, dan weet je dat die evolutie er ook aan de insectenkant is.

[Reactie gewijzigd door NLAnaconda op 23 juli 2024 14:40]

[EgMaf]

Als perfectie de uitkomst was van miljoenen jaren evolution, dan:

• Zouden veel dieren nu wielen als ledematen hebben
• Zouden alle levensvormen op dezelfde perfecte vorm uitgekomen zijn
• Zou de evolutie afgelopen zijn

Kortom, evolutie zorgt voor betere aanpassing aan constant veranderende omstandigeheden, niet voor perfectie.

Trouwens, wat is perfectie?

[Reactie gewijzigd door EgMaf op 23 juli 2024 14:40]

[steveman]

Zouden veel dieren nu wielen als ledematen hebben

Onjuist: Da's een biologische onmogelijkheid, tevens is het zeer de vraag over poten niet veel beter zijn voor wat dieren zoal doen.

Zouden alle levensvormen op dezelfde perfecte vorm uitgekomen zijn

Onjuist: de fitnessfunctie bestaat oa uit de omgeving

Zou de evolutie afgelopen zijn
Onjuist: random mutaties blijven voorkomen bij kopieren van DNA. En genen blijven met elkaar in strijd om in de volgende generatie terecht te komen.

[Reactie gewijzigd door steveman op 23 juli 2024 14:40]

[EgMaf]

Dus je bent het met me eens: Er is geen prefect eind-resultaat van evolutie...

[Teijgetje]

De perfectste vormen van evolutie zie je nu om je heen......alles dat leeft heeft zich aangepast om in zijn/haar omgeving de grootste mogelijkheid om te overleven en voort te planten te hebben.
Veranderen de omstandigheden dan zal de soort zich aan moeten passen/perfectioneren/evolueren om te overleven, anders sterft het uit.

Tenzij je mensen tegen komt, daar is meestal geen kruid tegen opgewassen.

[Anoniem: 656849]

Wielen perfect?
Vergelijk eens de draaicirkel van een voertuig op wielen en die van een jachtluipaard?

[EgMaf]

Precies, er is dus geen perfect oplossing... Elk nadeel heb z'n voordeel... (tm)

[cdwave]

"Evolutie" kan voorpoten in handen of hoeven veranderen, naar gelang dat beter uitpakt voor de soort. Maar niet in wielen. Dat zou meer "revolutie" zijn...

[EgMaf]

Precies, dus zal het ook niet zomaar de perfecte (en daardoor wellicht revolutionaire) oplossing geven...

[ikvanwinsum]

Maar waarom kan evolutie dan wel een sonar vormen voor vleermuizen?

[Teijgetje]

Omdat het doppler effect al bestaat sinds de big bang.
Onze "sonar" werkt soortgelijk als je zelf geluidjes gaat produceren en ze weer terugluistert, en met oefenen kan je opzienbarende resultaten krijgen.
Zie de blinde die in de eerste link gelinkt wordt.
Maar de vleermuizen oefenen dus al veel langer en hebben zich daarin "gespecialiseerd". Net als sommige andere diersoorten.
Als wij voornamelijk in het donker hadden geleefd dan hadden we ook andere zintuigen ontwikkeld. Mischien wel sonar inderdaad of bv UV licht kunnen zien.
Mensen hebben relatief maar erg beperkte zintuigen tov "aliens" de specialisten in de dierenwereld.
Maar met je ogen dicht en je sonar aan kan je bijvoorbeeld prima vaststellen of je glas vol is onder de kraan.
Zo kan je dus waarnemen als je blind bent, door goed te luisteren hoe klanken terugkaatsen..

[Reactie gewijzigd door Teijgetje op 23 juli 2024 14:40]

[Teijgetje]

Dit is ook wel even leuk om te kijken, hoe je eigen sonar werkt en je die trainen kan.

[Menesis]

Evolutie vs revolutie. Een vliegende eekhoorn zal nooit tot adelaar evolueren. Verkeerd uitgangspunt..

Over wielen gesproken: darpa dan? Die lopende robots. Wielen zijn alleen handig op platte omgevingen.

[Reactie gewijzigd door Menesis op 23 juli 2024 14:40]

[robvanwijk]

Zouden veel dieren nu wielen als ledematen hebben

Nope, VSauce heeft het prima uitgelegd: https://www.youtube.com/watch?v=sAGEOKAG0zw

[cdwave]

Het "oor" werkt als een radio antenne voor de ultrasone signalen. De extra sprieten, reflectoren enzo van de radio antenne bundelen inkomende radiogolven zodat er zoveel mogelijk energie wordt overgedragen aan de lus of spoel die de eigenlijke ontvanger is. De afmetingen van de antenne worden bepaald door de golflengte.

Het "oor" ziet eruit als een hoorn antenne. Hoe groter die is, hoe meer energie hij vangt en bundelt. Kleiner maken van de oren leidt dus ook tot minder signaal. Oftewel, met grotere oren kun je beter horen. Aan de vorm zal niet veel wijzigen.

Een schip met sonar (or radar) gebruikt doorgaans een roterende antenne (ontvanger en zender) om te bepalen waar objecten zich bevinden. Een vleermuis heeft dat niet, en doet 't met een paar beperkt bewegende oren en een zendertje dat ook vrij vast zit. Knap staaltje om daar goede 3D lokalisatie mee te doen. Daar leren wij van...

[koelpasta]

Je doet ernstig tekort aan de verfijnde werking van oren.
Wij doen heel wat meer met ons gehoor dat niet in radioantennes wordt gedaan.

De afmetingen van de antenne worden bepaald door de golflengte.

Dit is alleen in de naive opstelling zo.
Volgens mij mag je enkel zeggen dat de laagste golflengte wordt bepaald door de lengte van de antenne. Je hebt b.v. fractal antennes.

Het "oor" ziet eruit als een hoorn antenne.

De oorschelp is veel specifieker dan een hoornantenne. Het heeft een heel specifieke spectrale response per hoek van inkomend geluid. Je kunt zeggen dat de oorschelp elke richting van het geluid een andere filtering-signatuur geeft die door je hersenen wordt gedecodert.
De oorschelp is dus zeker niet alleen bedoelt om meer geluid te vangen, het werkt ook nog mee om richting te bepalen. Dat is ook waarom wij niet enorm grote oorschelpen hebben.

Een schip met sonar (or radar) gebruikt doorgaans een roterende antenne (ontvanger en zender) om te bepalen waar objecten zich bevinden. Een vleermuis heeft dat niet, en doet 't met een paar beperkt bewegende oren en een zendertje dat ook vrij vast zit.

Nou ja, dat valt dus nog wel mee. De vorm van de oren codeert dus al de richting. In feite heeft de vleermuis dus een voordeel ten opzichte van de naive manier waarop radar werkt.
Daarnaast bezit een vleermuis hersenen die juist enorm geschikt zijn om het soort verschillen waar te nemen die ontstaan door die filterwerking van de oorschelp.

[cdwave]

Het maakt ook 3D geluid via een koptelefoon kansloos. Elke oorschelp is anders, en lokaliseren van geluiden is iets dat je jezelf aanleert. Je beweegt ook vaak je hoofd (schuin houden, draaien) om beter te horen waar iets vandaan komt.

3D visie is ook iets dat je jezelf leert. Lastig voor 3D TV, want een paar procent van de bevolking wordt daarom zelfs misselijk van het kijken ernaar... De onderlinge verschillen zijn hierbij wel kleiner dan bij gehoor, met 3D beeld kunnen we redelijk uit de voeten maar 3D geluid blijft behelpen met 7 luidsprekers enzo...

[koelpasta]

Het maakt ook 3D geluid via een koptelefoon kansloos.

Nou, niet helemaal. We bezitten meerdere systemen die 3D cues kunnen halen uit het geluid. Met een koptelefoon en HRTFs voor gemiddelde oren kom je al een heel eind. Dit is meestal genoeg om een goede 3D indruk te krijgen maar positionereing zal niet zo nauwkeurig zijn als bij normaal horen.

Wat frappant is is dat we ook met 1 oor redelijk goed richting en afstand kunnen schatten. En ook daarbij helpt het om met je hoofd te bewegen zodat het geluid vanuit verschillende hoeken je oor binnenkomt.

Maar ik denk ook dat 3D geluid over de koptelefoon met 1 oor dan weer erg slecht gaat werken. Je bent dan dus veel meer afhankelijk van de vorm van dat ene oor. Als de HRTF dan niet goed matchen dan hoor je denk ik veel minder sterke lokalisatie. Met 2 oren heb je dan gelukkig nog de andere positiebepaalsystemen (o.a. interaurale tijdsverschillen) .

De onderlinge verschillen zijn hierbij wel kleiner dan bij gehoor, met 3D beeld kunnen we redelijk uit de voeten maar 3D geluid blijft behelpen met 7 luidsprekers enzo...

Op zich helpen die speakers niet. Wat je eigenlijk wilt is dat die speakers een bepaald soort signaal uitspuugen zodat er een soundfield gereproduceert wordt in de ruimte. Dan heb je geen last meer van zaken als sweet spots etc. Je hebt dan werkelijk een soort geluidshologram waar je in kan rondlopen lopen zonder dat het misgaat.

[Reactie gewijzigd door koelpasta op 23 juli 2024 14:40]

[ATS]

Fast forward een paar jaar wanneer dit veel wordt toegepast. Komen we tot de conclusie dat het zo zware gebruik van deze sonar een zeer negatief effect heeft op diezelfde vleermuizen, omdat die geen idee meer hebben welke echo van hen is en zo niet meer behoorlijk kunnen jagen...

Maargoed, het helpt ons wel onze speelgoed drones door het bos te vliegen of onze auto's automatisch te laten rijden.

[Reactie gewijzigd door ATS op 23 juli 2024 14:40]

[Splorky]

Ik vraag me ergens af of we daar zelf geen last van krijgen, dat bijvoorbeeld drones of zelfrijdende auto's zelf last krijgen van interferentie van de andere sonar bronnen.

Er zijn zat grotten met vleermuizen, daar zou het sonartechnisch ook flink druk moeten zijn en lijken de vleermuizen ook niet constand tegen de muur op te vliegen (miscchien dat ze zelf net als mensen net iets andere toon hoogte hebben en hun eigen sonargeluid herkennen).

[Alxndr]

"het moet ongeveer deze vorm hebben; wacht ik heb nog wat plastic, tape en een schaar"

sorry, verder nix on-topic

edit: nou ja, deze dan https://www.youtube.com/watch?v=2IKT2akh0Ng

[Reactie gewijzigd door Alxndr op 23 juli 2024 14:40]

[Anoniem: 625413]

Ach natuurlijk de evolutie. Als ik een robot bouw, dan gebruik ik nog steeds processoren en sensoren die al eerder zijn ontwikkeld voor een ander toepassing. Of... is een oude pentium pc ook gëevolueerd tot een robot?