Εδώ και πολλά χρόνια βιολόγοι και οι μηχανικοί προσπαθούσαν να απαντήσουν σε ένα φαινομενικά απλό ερώτημα: Πώς καταφέρνει μια νυχτερίδα, πετώντας με ιλιγγιώδη ταχύτητα μέσα στο απόλυτο σκοτάδι, να ξεχωρίσει ένα μικροσκοπικό κουνούπι από τα χιλιάδες φύλλα των δέντρων που την περιβάλλουν; Η απάντηση δόθηκε όχι μέσω της παρατήρησης ζωντανών ζώων, αλλά μέσω της κατασκευής ενός μηχανικού σωσία τους. Ερευνητές δημιούργησαν ένα «ρομποτικό χειρόπτερο» που δεν περιορίζεται απλώς στο να μιμείται την πτήση, αλλά αναπαράγει με ακρίβεια τον τρόπο που τα θηλαστικά αυτά αντιλαμβάνονται τον κόσμο μέσω του ήχου.
Η μηχανική πρόκληση του «οπτικού θορύβου»
Ο ηχοεντοπισμός είναι μια γνωστή διαδικασία: το ζώο εκπέμπει υπερήχους και ακούει την ηχώ που επιστρέφει. Ωστόσο, η πραγματικότητα είναι χαώδης. Σε ένα πυκνό δάσος, τα ηχητικά κύματα αναπηδούν παντού – σε κορμούς, κλαδιά και φυλλώματα. Για έναν απλό αισθητήρα, αυτό δημιουργεί έναν «ακουστικό τοίχο» θορύβου, καθιστώντας σχεδόν αδύνατο τον εντοπισμό ενός μικρού, κινούμενου στόχου.
Εδώ έρχεται η καινοτομία που παρουσίασαν οι επιστήμονες. Αντί να προσπαθήσουν να καταγράψουν νυχτερίδες στο φυσικό τους περιβάλλον – κάτι εξαιρετικά δύσκολο λόγω της ταχύτητας και της απρόβλεπτης συμπεριφοράς τους – κατασκεύασαν μια ρομποτική πλατφόρμα ελεγχόμενη στο εργαστήριο. Αυτό το επίγειο ρομπότ εξοπλίστηκε με έναν πομπό υπερήχων (το στόμα της νυχτερίδας) και δύο δέκτες (τα αυτιά), καθώς και με μηχανικά μέρη που μιμούνται την κίνηση των φτερών.
Το μυστικό κρύβεται στο φαινόμενο Doppler
Η ανακάλυψη που προέκυψε από τα πειράματα είναι εντυπωσιακή στην απλότητά της, αλλά εξαιρετικά πολύπλοκη στην εκτέλεση. Το ρομπότ απέδειξε ότι οι νυχτερίδες δεν ψάχνουν απλώς για τη μορφή του θηράματος, αλλά για την «ακουστική υπογραφή» της κίνησής του.
Συγκεκριμένα, αξιοποιούν το φαινόμενο Doppler. Όταν ένα έντομο χτυπά τα φτερά του, η κίνηση αυτή προκαλεί μικροσκοπικές αλλαγές στη συχνότητα του ήχου που επιστρέφει στη νυχτερίδα. Τα στατικά αντικείμενα, όπως τα φύλλα, επιστρέφουν μια σταθερή ηχώ. Το θήραμα, όμως, λόγω του φτερουγίσματος, δημιουργεί μια διακύμανση. Το ρομπότ προγραμματίστηκε να αγνοεί τον στατικό θόρυβο του περιβάλλοντος και να εστιάζει αποκλειστικά σε αυτές τις αλλοιώσεις συχνότητας. Με αυτόν τον τρόπο, κατάφερε να εντοπίσει τον στόχο του με χειρουργική ακρίβεια, ακόμα και μέσα σε περιβάλλον γεμάτο εμπόδια.
Από τη βιολογία στην τεχνολογία αιχμής
Η σημασία αυτής της έρευνας εκτείνεται πολύ πέρα από τη ζωολογία. Η επιτυχής προσομοίωση του ηχοεντοπισμού ανοίγει νέους δρόμους για την τεχνολογία των αυτόνομων οχημάτων και των drones.
Σκεφτείτε drones που πρέπει να πλοηγηθούν μέσα σε κτίρια που φλέγονται, όπου ο καπνός καθιστά τις κάμερες άχρηστες. Ή αγροτικά ρομπότ που πρέπει να εντοπίσουν παράσιτα σε καλλιέργειες τη νύχτα, χωρίς να σπαταλούν ενέργεια φωτίζοντας το χωράφι. Η τεχνολογία που μιμείται τη νυχτερίδα προσφέρει μια λύση που δεν βασίζεται στο φως, αλλά στον ήχο και την επεξεργασία σήματος σε πραγματικό χρόνο.
Επιπλέον, η μελέτη αυτή αναδεικνύει τη δύναμη της «ρομποτικής βιολογίας». Χρησιμοποιώντας μηχανές για να τεστάρουν βιολογικές υποθέσεις, οι επιστήμονες μπορούν να απομονώσουν μεταβλητές που στη φύση είναι αδιαχώριστες. Το ρομπότ δεν κουράζεται, δεν πεινάει και μπορεί να επαναλάβει την ίδια κίνηση χιλιάδες φορές μέχρι τα δεδομένα να είναι αδιάσειστα.
Το μέλλον των αισθητήρων
Η ανάπτυξη αυτού του βιομιμητικού συστήματος δείχνει ότι οι λύσεις σε σύγχρονα τεχνολογικά προβλήματα βρίσκονται συχνά κρυμμένες στην εξελικτική πορεία εκατομμυρίων ετών. Οι αλγόριθμοι που αναπτύχθηκαν για να «διαβάζουν» το φτερούγισμα ενός εντόμου, μπορούν αύριο να ενσωματωθούν σε συστήματα ασφαλείας, σε ιατρικά μηχανήματα απεικόνισης ή σε έξυπνα οχήματα που αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους τρισδιάστατα, χωρίς να χρειάζονται οπτική επαφή.
Η έρευνα, η οποία συνδυάζει στοιχεία από το Ινστιτούτο Smithsonian και πανεπιστημιακά εργαστήρια, επιβεβαιώνει πως όταν η τεχνολογία σταματά να προσπαθεί να δαμάσει τη φύση και αρχίζει να τη μαθητεύει, τα αποτελέσματα είναι θεαματικά. Το ρομποτικό χειρόπτερο δεν είναι απλώς ένα πείραμα· είναι η απόδειξη ότι η ακοή μπορεί να είναι εξίσου ισχυρή, αν όχι ισχυρότερη, από την όραση.
Στο άμεσο μέλλον, τα ρομπότ που θα κινούνται δίπλα μας ίσως να μην χρειάζεται να μας βλέπουν για να μας αποφύγουν. Θα αρκεί να μας «ακούν», με την ίδια αλάνθαστη ακρίβεια που μια νυχτερίδα εντοπίζει το δείπνο της στο απόλυτο σκοτάδι.
