給機械人裝上蝗蟲耳朵,以色列科學家實現生物傳感器新突破!

作為藍胖子的偽粉,雷鋒網編輯某天在知乎上刷到「哆啦 A 夢為什麼沒有耳朵?」的問題時,迫不及待地點進去想知道答案。

不少答主都表示,原本黃色的貓形機械人哆啦 A 夢在睡覺時被機器老鼠咬掉了耳朵,還被妹妹哆啦美嘲笑,傷心的哆啦 A 夢被藍色的眼淚淹沒,於是變成了我們熟悉的「無耳藍貓」形象。

【圖源知乎答主王昌齡】

不過,消失的耳朵似乎並不影響哆啦 A 夢聽見外界的聲音——正如知乎答主錦曦日所說,哆啦 A 夢本質上是個披着一個軟外套的金屬機械人,大致可以推斷出它的耳朵、外套的材料一致,也就是說它的耳朵是一個純粹的裝飾品。

問題來了,現實中機械人的耳朵到底是什麼?

第四十屆語音信號處理國際頂級會議 ICASSP2015 上,一篇題為 Robot audition: Its rise and perspectives(機械人聽覺:興起與展望)的論文提到:

  • 機械人用「耳朵」同時聽到幾件事,正是基於其聽覺能力,這也是改善人機互動與共生的重要因素。

  • 機械人聽覺主要有三大功能:聲源定位、聲源分離、分離后的聲音識別。

  • 其聽覺的關鍵在於對噪聲環境的實時處理和魯棒性,以及對各種機械人和硬件配置的高靈活性。

通俗來講,要想讓機械人「聽見」,就需要麥克風陣列將聲音信號轉換為電信號,隨後經過對電信號進行處理,獲得聲音包含的信息。

當然,打造機械人聽覺,說起來容易做起來難。

機械人的聽覺系統需要傳感、機械、控制等因素的協調配合,可謂涵蓋了多個學科,要想做到像人耳那樣(能聽辨出聲音類型、內容、來源、遠近、方位等)是一件困難的事情。

那麼,既然模仿生物耳朵不易,那麼直接把生物耳朵「接」在機械人身上,可行嗎?

其實,這個有點兒古怪甚至可以說是殘忍的想法來自於以色列特拉維夫大學的一個研究小組。

前不久,該團隊題為 Ear-Bot: Locust Ear-on-a-Chip Bio-Hybrid Platform(耳朵機械人:蝗蟲耳朵芯片生物混合平台)的研究成果正式發表於《傳感器》雜誌。

生物耳朵有何優勢?

這項研究中,研究團隊選定的主角是蝗蟲。

原因在於,經過數億年的進化,昆蟲已經獲得了一些自然界中最為高效強大的感知器官,如果把這些感知器官視作傳感器,那麼相比眾多人造傳感器,這種傳感器的優勢在於體積小、重量輕、功耗低、可適用於多變的環境。

尤其是在聽覺方面,昆蟲的聽覺傳感器經過多次進化,已經可以發揮場景分析、交流的功能,有着高度的多樣性,具體來看:

  • 形態上,其耳朵可以是近場敏感的觸角,也可以是遠場敏感的鼓膜。

  • 功能上,可以是窄帶過濾器(蚊子),也可以是寬帶傳感器(夜蛾)。

  • 神經處理上,可以只有一個神經元(夜蛾),也可以有數千個干預神經元(雄性蚊子耳朵有 15000 個神經元)。

而沙漠蝗蟲耳朵較為敏感,所涵蓋的頻率範圍廣,可以被作為一個很好的從神經系統讀取電生理信息的模型。

研究團隊表示:

目前為止,還沒有哪項研究證明生物混合機械人平台(bio-hybrid robotic platform)能夠通過生物傳感器對聲音做出反應。在機械人平台上加入生物傳感器,可以有兩方面優勢,一是可以將其行為、能力與特徵鮮明的自然蝗耳進行比較,二是可以將其與純粹的技術設備(麥克風陣列)進行比較。

把蝗蟲耳朵「接」在機械人身上

研究團隊是如何做的呢?

論文顯示,研究團隊設計了一個生物混合平台 Ear-Bot,它集成了沙漠蝗蟲的聽覺系統作為傳感輸入,與一個移動機械人平台相連接。

通俗來講就是,打造一個蝗蟲耳朵芯片 Ear-Chip,將其作為機械人的聽覺傳感器。

在這個過程中,團隊利用到了微生理系統(MPS,也稱芯片上的器官 OoC)的最新發展,也就是「人體器官芯片技術」。

人體器官芯片是一項新興的前沿技術,簡單來講就是指一種在載玻片大小的芯片上構建的器官生理微系統,包含着活體細胞、組織界面、生物流體等器官微環境的關鍵要素,因此可以在體外模擬人體組織器官的主要結構功能特徵以及器官間的聯繫。人體器官芯片技術背後是多學科的交叉匯聚,曾在 2016 年被列為十大新興技術之一。

其實,Ear-Chip 的設計能使得蝗蟲耳朵長期存活,同時也保證了它能被放置在移動的小型機械人平台上(如下圖 a 所示)。

值得一提的是,研究團隊通過 SolidWorks CAD 軟件對芯片進行了設計,然後通過 3D 打印生物相容性牙科透明樹脂進行芯片的製作,最終成功地創造了一種持久的微型感應裝置。

基於此,研究團隊創建了模塊化的組織支持和信號分析自定義算法。

同時,Ear-Bot 還配備了定製電極,可測量耳朵的電生理反應,並將其傳遞給機械人。如上圖 b 所示,機械人還集成了處理信號和運行不同算法所需的所有電子設備(包括前置放大器、電路板等)。

除了定製芯片 Ear-Chip 和電極以外,該機械人平台還包括一個信號放大器、一個控制器和信號處理器系統(CSPS)

響應來自不同方向和距離的聲音

那麼,具體效果如何?

實驗表明,Ear-Bot 對聲音的響應與使用麥克風作為輸入所展示的響應類似。

研究人員拍拍手,蝗蟲耳朵就會識別出聲音並將其轉換為電信號,並將其傳輸至機械人的電生理測量系統、控制器和信號處理系統。

值得一提的是,Ear-Bot 系統能夠在混雜的噪聲中區分出電機和拍手的聲音。

也就是說,蝗蟲耳朵對各種頻率都較為敏感,可對真實的聲音做出反應。如下圖所示,其最佳響應在 3.5 kHz(±2)左右,對來自不同方向的聲音的響應無顯著變化,且對距離在 5-35cm 之間的聲音響應無差異。

可見,Ear-bot 能夠對來自不同方向和距離的聲音做出反應。

對於上述研究成果,論文合著者之一 Ben M. Maoz 博士表示:

我們應當更為深入地去挖掘、利用自然界的現象和規律,我們證明的這一原理其實還可以用於其他感官,例如氣味、視覺和觸覺等。例如,某些動物在發現爆炸物、毒品方面有着驚人的能力,或許我們可以創建具有生物鼻子的機械人。

無疑,自然往往先於科研一步,期待科學家們以自然為靈感,帶來更多前沿科技進展。

引用來源:

https://www.researchgate.net/publication/284464547_Robot_audition_Its_rise_and_perspectives

https://www.mdpi.com/1424-8220/21/1/228/htm

https://english.m.tau.ac.il/news/robot_hears_locust

https://www.techbriefs.com/component/content/article/tb/stories/blog/38761

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