聲源定位、分離聲源、分離后的聲音識(shí)別是機(jī)器人聽(tīng)覺(jué)的三個(gè)主要功能。
它的聽(tīng)覺(jué)性能主要取決于它在噪聲環(huán)境下的實(shí)時(shí)性和魯棒性,以及對(duì)各種機(jī)器人和硬件配置的靈活性。
簡(jiǎn)單地說(shuō),機(jī)器人要“聽(tīng)到”聲音,就需要麥克風(fēng)陣列把聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電子信號(hào),然后通過(guò)電子信號(hào)的處理來(lái)獲取聲音中包含的信息。
制造機(jī)器人聽(tīng)覺(jué),當(dāng)然,說(shuō)的容易做的難。
它的聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)需要感知、機(jī)械、控制等因素的協(xié)調(diào)配合,可謂涵蓋了多門(mén)學(xué)科,要想做到像人耳一樣(聽(tīng)覺(jué)的類(lèi)型、內(nèi)容、來(lái)源、距離、方向等等都可以聽(tīng)得清楚)是很難的。
既然生物耳朵是很難模仿的,那么直接將生物耳朵“接”到機(jī)器人上,可行嗎?在經(jīng)歷了數(shù)億年的進(jìn)化之后,昆蟲(chóng)已經(jīng)獲得了自然界中一些最有效能和力量的感受器,如果將它們當(dāng)作傳感器來(lái)看待的話(huà),與許多人工感受器相比,這種感受器的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、耗電少,而且可以適應(yīng)變化的環(huán)境。
特別是在聽(tīng)覺(jué)方面,昆蟲(chóng)的聽(tīng)覺(jué)傳感器經(jīng)過(guò)多次進(jìn)化,已能發(fā)揮場(chǎng)景分析、溝通等功能,具有很高的多樣性,具體而言:
形態(tài)學(xué)上,它的耳朵可以是近場(chǎng)敏感的觸角或遠(yuǎn)場(chǎng)敏感的鼓膜。
功能性的,可以是窄帶過(guò)濾器(蚊子)或?qū)拵鞲衅?夜蛾)。
神經(jīng)系統(tǒng)治療中,干預(yù)神經(jīng)元(雄蚊耳)可為1個(gè)(夜蛾)或1000個(gè)(雄蚊耳)。
而且沙漠蝗蟲(chóng)的耳朵比較敏感,所覆蓋的頻率范圍較廣,可以作為從神經(jīng)系統(tǒng)中讀取電生理信息的良好模型。
迄今為止,還沒(méi)有任何研究表明生物混合機(jī)器人平臺(tái)可以通過(guò)生物傳感器對(duì)聲音作出響應(yīng)。添加到機(jī)器人平臺(tái)上的生物傳感器有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):一是它的行為、能力可與天然蝗耳相比較;二是它可與純技術(shù)設(shè)備(麥克風(fēng)陣列)相比較。將蝗蟲(chóng)耳朵“接”到機(jī)器人上的研究小組該怎么做?
簡(jiǎn)單地說(shuō),Ear-Chip是一種蝗蟲(chóng)耳片,它可以用作機(jī)器人的聽(tīng)覺(jué)傳感器。
這一研究小組利用了微生理系統(tǒng)(MPS,也稱(chēng)為器官芯片)的最新進(jìn)展,即“人體器官芯片技術(shù)”。
人類(lèi)器官芯片是一項(xiàng)新興的前沿技術(shù),它是一種以芯片為載體,以玻片大小構(gòu)建起來(lái)的器官生理微系統(tǒng),它包括器官微環(huán)境的關(guān)鍵元素,如活體細(xì)胞、組織界面、生物流體等,因此可以在體外模擬人體組織器官的主要結(jié)構(gòu)和功能特征以及器官之間的聯(lián)系。人類(lèi)器官芯片技術(shù)的背后是多學(xué)科交叉融合的結(jié)果,2016年被列為十大新興技術(shù)之一。
事實(shí)上,Ear-Chip的設(shè)計(jì)可以讓蝗蟲(chóng)耳朵長(zhǎng)時(shí)間的存活,同時(shí)也保證了它可以放在一個(gè)移動(dòng)的小型機(jī)器人平臺(tái)(如圖a所示)。
值得注意的是,該研究小組在SolidWorksCAD軟件中設(shè)計(jì)了芯片,然后用生物相容性牙科透明樹(shù)脂進(jìn)行3D打印,最終成功制造出一種持久耐用的微型感應(yīng)裝置。
在此基礎(chǔ)上,研究小組提出了模塊化組織支持和自定義信號(hào)分析算法。
與此同時(shí),Ear-Bot裝備有自定義電極,可以測(cè)量耳朵的電生理反應(yīng),并將其傳送給機(jī)器人。正如上圖b所示,機(jī)器人還集成了處理信號(hào)和運(yùn)行不同算法所需的所有電子設(shè)備(包括前置放大器,電路板等)。
除自定義芯片Ear-Chip和電極外,這個(gè)機(jī)器人平臺(tái)還包括一個(gè)信號(hào)放大器,一個(gè)控制器和一個(gè)信號(hào)處理系統(tǒng)來(lái)響應(yīng)來(lái)自不同方向和距離的聲音,具體效果是什么?
試驗(yàn)顯示,Ear-Bot對(duì)聲音的反應(yīng)類(lèi)似于用麥克風(fēng)作為輸入所表現(xiàn)出來(lái)的反應(yīng)。
蝗蟲(chóng)的耳朵通過(guò)拍打它們的手來(lái)識(shí)別聲音,把聲音轉(zhuǎn)換成電子信號(hào),然后把信號(hào)傳給機(jī)器人的電生理測(cè)量系統(tǒng)、控制器和信號(hào)處理系統(tǒng)。
值得注意的是,Ear-Bot系統(tǒng)可以區(qū)分馬達(dá)和拍手聲,這是一種混合噪音。也就是蝗蟲(chóng)的耳朵對(duì)各種頻率都比較敏感,能夠?qū)φ鎸?shí)的聲音作出反應(yīng)。很明顯,Ear-bot可以對(duì)來(lái)自不同方向和距離的聲音作出反應(yīng)。
對(duì)自然現(xiàn)象和規(guī)律,我們應(yīng)該挖掘得更深,利用得更好,我們證明的這個(gè)原理實(shí)際上也可以用在其它感官上,比如氣味、視覺(jué)和觸覺(jué)上。舉例來(lái)說(shuō),某些動(dòng)物擁有驚人的發(fā)現(xiàn)爆炸物,藥物的能力,也許我們可以使用生物傳感器來(lái)制造一個(gè)擁有生物感覺(jué)器官的機(jī)器人。
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