Kirkeugler kan holde nøglen til navigation og placering

Måden krudtuglehjerner bruger lyd til at lokalisere bytte kan være en skabelon for elektroniske retningsbestemte navigationsenheder, ifølge et hold af Penn State-ingeniører, der genskaber uglehjernekredsløb i elektronik.

"Vi studerede allerede denne type kredsløb, da vi faldt over Jeffress-modellen for lydlokalisering, " sagde Saptarshi Das, adjunkt i ingeniørvidenskab og mekanik.

Jeffress modellen, udviklet af Lloyd Jeffress i 1948, forklarer, hvordan biologiske høresystemer kan registrere og analysere små forskelle i ankomsttidspunktet for lyd til ørerne og derefter lokalisere lydens kilde.

"Ugler finder ud af, hvilken retning lyden kommer fra inden for en til to grader, " sagde Saptarshi Das. "Mennesker er ikke så præcise. Ugler bruger denne evne til jagt, især fordi de jager om natten og deres syn ikke er så godt."

Evnen til at bruge lyd til at lokalisere afhænger af afstanden mellem ørerne. I krudtugler, den afstand er ret lille, men hjernens kredsløb har tilpasset sig til at kunne skelne mellem denne lille forskel. Hvis uglen vender mod lydkilden, så modtager begge ører lyden samtidigt. Hvis lyden er slukket til højre, højre øre registrerer lyden lidt før venstre.

Imidlertid, at lokalisere objekter ved lyd er ikke så simpelt. Lydens hastighed er hurtigere end uglens nerver kan fungere, så efter at uglens hjerne konverterer lyden til en elektrisk puls, pulsen bremses. Så bruger hjernens kredsløb et gitter af nerver af forskellig længde med input fra to ender, at bestemme, hvilken længde der er, hvor de to signaler falder sammen eller ankommer på samme tid. Dette giver retningen.

Saptarshi Das og hans team har skabt et elektronisk kredsløb, der kan bremse inputsignalerne og bestemme sammenfaldspunktet, efterligner sløruglehjernens virkemåde.

Forskerne, som omfatter Saptarshi Das; Akhil Dodda, kandidatstuderende i ingeniørvidenskab og mekanik; og Sarbashis Das, kandidatstuderende i elektroteknik, bemærk i dag i Naturkommunikation at "nøjagtigheden af ​​den biomimetiske anordning kan afløse perleuglen i størrelsesordener."

Holdet skabte en række split-gate molybdænsulfidtransistorer for at efterligne tilfældighedsnervenetværket i uglens hjerne. Split-gate transistorer producerer kun output, når begge sider af gate matcher, så kun porten indstillet til en bestemt længde vil registrere lyden. Det biomimetiske kredsløb bruger også en tidsforsinkelsesmekanisme til at bremse signalet.

Mens dette proof-of-concept-kredsløb bruger standardsubstrater og enhedstyper, forskerne mener, at brug af 2-D materialer til enhederne ville gøre dem mere nøjagtige og også mere energieffektive, fordi antallet af split-gate transistorer kunne øges, giver mere præcise sammenfaldstidspunkter. Reduktionen i strømforbruget vil gavne enheder, der arbejder i lavstrømsdomænet.

"Millioner af års evolution i dyreriget har sikret, at kun de mest effektive materialer og strukturer har overlevet, " sagde Sarbashis Das. "I realiteten, naturen har gjort det meste af arbejdet for os. Alt, hvad vi skal gøre nu, er at tilpasse disse neurobiologiske arkitekturer til vores halvlederenheder."

"Mens vi forsøger at lave energieffektive enheder, pattedyrs databehandling understøttet af naturlig selektion har nødvendiggjort ekstrem energieffektivitet, som vi forsøger at efterligne i vores enheder, sagde Dodda.

Imidlertid, kun at have retningen vil ikke give placeringen af ​​lydkilden. For rent faktisk at navigere eller lokalisere, en enhed skal også kende højden af ​​lydkilden. Saptarshi Das bemærkede, at højden er en egenskab ved lydens intensitet, og forskerne arbejder på dette aspekt af problemet.

"Der er adskillige dyr, der har fremragende sensorisk behandling for synet, hørelse og lugte, " sagde Saptarshi Das. "Mennesker er ikke de bedste til disse."

Holdet ser nu på andre dyr og andre sensoriske kredsløb til fremtidig forskning. Mens eksisterende forskning inden for neuromorfisk databehandling fokuserer på at efterligne den menneskelige hjernes intellektuelle kapacitet, dette arbejde kaster lys over en alternativ tilgang ved at kopiere dyrerigets supersensorer. Saptarshi Das betragter dette som en paradigmeændring på dette felt.