De acuerdo con un equipo de ingenieros de Penn State que están recreando los circuitos cerebrales de las lechuzas en la electrónica, la forma en que los cerebros de la lechuza común usan el sonido para localizar presas puede ser una plantilla para dispositivos electrónicos de navegación direccional.
"Ya estábamos estudiando este tipo de circuitos cuando nos topamos con el modelo de localización de sonido Jeffress", dijo Saptarshi Das, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y mecánica.
El modelo Jeffress, desarrollado por Lloyd Jeffress en 1948, explica cómo los sistemas auditivos biológicos pueden registrar y analizar pequeñas diferencias en el tiempo de llegada del sonido a los oídos y luego localizar la fuente del sonido.
"Los búhos descubren de qué dirección proviene el sonido dentro de uno o dos grados", dijo Saptarshi Das. "Los humanos no son tan precisos. Los búhos usan esta habilidad para cazar especialmente porque cazan de noche y su vista no estodo lo bueno "
La capacidad de utilizar el sonido para localizar depende de la distancia entre las orejas. En las lechuzas, esa distancia es bastante pequeña, pero los circuitos del cerebro se han adaptado para poder discriminar esta pequeña diferencia. Si la lechuza está frente a la fuente de sonido, entonces ambos oídos reciben el sonido simultáneamente. Si el sonido está apagado a la derecha, el oído derecho registra el sonido un poco antes que el izquierdo.
Sin embargo, localizar objetos por sonido no es tan simple. La velocidad del sonido es más rápida de lo que pueden funcionar los nervios del búho, por lo que después de que el cerebro del búho convierte el sonido en un pulso eléctrico, el pulso se ralentiza. Luego, los circuitos del cerebro usancelosía de nervios de diferentes longitudes con entradas desde dos extremos, para determinar qué longitud es donde las dos señales coinciden o llegan al mismo tiempo. Esto proporciona la dirección.
Saptarshi Das y su equipo han creado un circuito electrónico que puede ralentizar las señales de entrada y determinar el punto de coincidencia, imitando el funcionamiento del cerebro de la lechuza común.
Los investigadores, que incluyen a Saptarshi Das; Akhil Dodda, estudiante graduado en ciencias de la ingeniería y mecánica; y Sarbashis Das, estudiante graduado en ingeniería eléctrica, anoten hoy 1 de agosto en Comunicaciones de la naturaleza que "la precisión del dispositivo biomimético puede reemplazar a la lechuza común en órdenes de magnitud"
El equipo creó una serie de transistores de sulfuro de molibdeno de puerta dividida para imitar la red nerviosa de coincidencia en el cerebro del búho. Los transistores de puerta dividida solo producen salida cuando ambos lados de la puerta coinciden, por lo que solo la puerta sintonizada a una longitud específicaregistre el sonido. El circuito biomimético también utiliza un mecanismo de retardo de tiempo para ralentizar la señal.
Si bien este circuito de prueba de concepto utiliza sustratos y tipos de dispositivos estándar, los investigadores creen que el uso de materiales 2D para los dispositivos los haría más precisos y también más eficientes energéticamente, ya que la cantidad de transistores de compuerta dividida podría aumentarse,proporcionando tiempos de coincidencia más precisos. La reducción en el consumo de energía beneficiaría a los dispositivos que funcionan en el dominio de baja potencia.
"Millones de años de evolución en el reino animal han asegurado que solo los materiales y estructuras más eficientes hayan sobrevivido", dijo Sarbashis Das. "En efecto, la naturaleza ha hecho la mayor parte del trabajo por nosotros. Todo lo que tenemos que hacer ahoraes adaptar estas arquitecturas neurobiológicas para nuestros dispositivos semiconductores ".
"Mientras tratamos de hacer dispositivos de eficiencia energética, la computación de mamíferos respaldada por la selección natural ha requerido una eficiencia energética extrema, que estamos tratando de imitar en nuestros dispositivos", dijo Dodda.
Sin embargo, tener solo la dirección no proporcionará la ubicación de la fuente de sonido. Para navegar o ubicar realmente, un dispositivo también necesitaría conocer la altura de la fuente de sonido. Saptarshi Das señaló que la altura es una propiedad de la intensidaddel sonido y los investigadores están trabajando en este aspecto del problema.
"Hay varios animales que tienen un excelente procesamiento sensorial para la vista, el oído y el olfato", dijo Saptarshi Das. "Los humanos no son los mejores en esto"
El equipo ahora está mirando otros animales y otros circuitos sensoriales para futuras investigaciones. Si bien la investigación existente en el campo de la computación neuromórfica se enfoca en imitar la capacidad intelectual del cerebro humano, este trabajo arroja luz sobre un enfoque alternativo al replicar el súpersensores del reino animal. Saptarshi Das considera que esto es un cambio de paradigma en este campo.
La Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea apoyó este trabajo. Los investigadores han solicitado una patente provisional sobre este trabajo.
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Materiales proporcionado por Estado Penn . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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