De manier waarop de hersenen van kerkuilen geluid gebruiken om prooien te lokaliseren, kan een sjabloon zijn voor elektronische navigatieapparatuur. volgens een team van Penn State-ingenieurs die uilenhersencircuits in elektronica recreëren.

"We waren dit soort circuits al aan het bestuderen toen we het Jeffress-model van geluidslokalisatie tegenkwamen, " zei Saptarshi Das, assistent-professor in de ingenieurswetenschappen en mechanica.

Het Jeffress-model, ontwikkeld door Lloyd Jeffress in 1948, legt uit hoe biologische hoorsystemen kleine verschillen in de aankomsttijd van geluid in de oren kunnen registreren en analyseren en vervolgens de bron van het geluid kunnen lokaliseren.

"Uilen zoeken uit uit welke richting het geluid komt binnen één tot twee graden, "zei Saptarshi Das. "Mensen zijn niet zo precies. Uilen gebruiken dit vermogen om te jagen, vooral omdat ze 's nachts jagen en hun gezichtsvermogen niet zo goed is."

Het vermogen om geluid te gebruiken om te lokaliseren, is afhankelijk van de afstand tussen de oren. Bij kerkuilen, die afstand is vrij klein, maar het circuit van de hersenen is aangepast om dit kleine verschil te kunnen onderscheiden. Als de uil naar de geluidsbron kijkt, dan ontvangen beide oren het geluid tegelijkertijd. Als het geluid naar rechts staat, het rechteroor registreert het geluid iets eerder dan het linkeroor.

Echter, het lokaliseren van objecten door middel van geluid is niet zo eenvoudig. De snelheid van het geluid is sneller dan de zenuwen van de uil kunnen functioneren, dus nadat het brein van de uil het geluid in een elektrische puls heeft omgezet, de pols wordt vertraagd. Dan gebruikt het circuit van de hersenen een netwerk van zenuwen van verschillende lengtes met input van twee uiteinden, om te bepalen op welke lengte de twee signalen samenvallen of tegelijkertijd aankomen. Dit geeft richting.

Saptarshi Das en zijn team hebben een elektronisch circuit gemaakt dat de ingangssignalen kan vertragen en het coïncidentiepunt kan bepalen. het nabootsen van de werking van de kerkuil hersenen.

De onderzoekers, waaronder Saptarshi Das; Akhil Dodda, afgestudeerde student in de ingenieurswetenschappen en mechanica; en Sarbashis Das, afgestudeerde student elektrotechniek, noteer vandaag in Natuurcommunicatie dat "de precisie van het biomimetische apparaat de kerkuil met orden van grootte kan vervangen."

Het team creëerde een reeks split-gate molybdeensulfidetransistoren om het toevalszenuwnetwerk in de hersenen van de uil na te bootsen. Split-gate-transistors produceren alleen output wanneer beide zijden van de gate overeenkomen, dus alleen de poort die op een bepaalde lengte is afgestemd, zal het geluid registreren. Het biomimetische circuit maakt ook gebruik van een tijdvertragingsmechanisme om het signaal te vertragen.

Hoewel dit proof-of-concept-circuit standaardsubstraten en apparaattypen gebruikt, de onderzoekers zijn van mening dat het gebruik van 2D-materialen voor de apparaten ze nauwkeuriger en ook energiezuiniger zou maken, omdat het aantal split-gate-transistoren zou kunnen worden vergroot, nauwkeurigere samenlooptijden bieden. De vermindering van het stroomverbruik zou gunstig zijn voor apparaten die werken in het low-power domein.

"Miljoenen jaren van evolutie in het dierenrijk hebben ervoor gezorgd dat alleen de meest efficiënte materialen en structuren hebben overleefd, " zei Sarbashis Das. "In feite, de natuur heeft het meeste werk voor ons gedaan. Het enige wat we nu nog moeten doen, is deze neurobiologische architecturen aanpassen voor onze halfgeleiderapparaten."

"Terwijl we proberen energiezuinige apparaten te maken, zoogdiercomputing ondersteund door natuurlijke selectie heeft extreme energie-efficiëntie noodzakelijk gemaakt, die we proberen na te bootsen in onze apparaten, ' zei Doda.

Echter, het hebben van alleen de richting geeft niet de locatie van de geluidsbron. Om daadwerkelijk te navigeren of te lokaliseren, een apparaat zou ook de hoogte van de geluidsbron moeten weten. Saptarshi Das merkte op dat hoogte een eigenschap is van de intensiteit van het geluid en de onderzoekers werken aan dit aspect van het probleem.

"Er zijn verschillende dieren die een uitstekende sensorische verwerking hebben om te zien, horen en ruiken, "zei Saptarshi Das. "Mensen zijn hier niet de beste in."

Het team kijkt nu naar andere dieren en andere sensorische circuits voor toekomstig onderzoek. Terwijl bestaand onderzoek op het gebied van neuromorphic computing zich richt op het nabootsen van de intellectuele capaciteit van het menselijk brein, dit werk werpt licht op een alternatieve benadering door de supersensoren van het dierenrijk te repliceren. Saptarshi Das beschouwt dit als een paradigmaverandering op dit gebied.