Sättet som kattugglans hjärnor använder ljud för att lokalisera byten kan vara en mall för elektroniska riktningsstyrda navigeringsenheter, enligt ett team av Penn State-ingenjörer som återskapar ugglhjärnkretsar inom elektronik.

"Vi studerade redan den här typen av kretsar när vi snubblade över Jeffress-modellen för ljudlokalisering, sa Saptarshi Das, biträdande professor i ingenjörsvetenskap och mekanik.

Jeffress modellen, utvecklad av Lloyd Jeffress 1948, förklarar hur biologiska hörselsystem kan registrera och analysera små skillnader i ankomsttid för ljud till öronen och sedan lokalisera ljudets källa.

"Ugglor räkna ut vilken riktning ljudet kommer från inom en till två grader, " sade Saptarshi Das. "Människor är inte så exakta. Ugglor använder denna förmåga för jakt, särskilt för att de jagar på natten och deras syn inte är så bra."

Möjligheten att använda ljud för att lokalisera beror på avståndet mellan öronen. Hos kattugglor, det avståndet är ganska litet, men hjärnans kretsar har anpassats för att kunna urskilja denna lilla skillnad. Om ugglan är vänd mot ljudkällan, då får båda öronen ljudet samtidigt. Om ljudet är avstängt till höger, höger öra registrerar ljudet något före det vänstra.

Dock, att lokalisera föremål med ljud är inte så enkelt. Ljudhastigheten är snabbare än vad ugglans nerver kan fungera så efter att ugglans hjärna omvandlar ljudet till en elektrisk puls, pulsen saktas ner. Sedan använder hjärnans kretsar ett gitter av nerver av olika längd med ingångar från två ändar, för att bestämma vilken längd som är där de två signalerna sammanfaller eller anländer samtidigt. Detta ger riktningen.

Saptarshi Das och hans team har skapat en elektronisk krets som kan bromsa insignalerna och bestämma sammanfallspunkten, efterliknar hur kattugglans hjärna fungerar.

Forskarna, som inkluderar Saptarshi Das; Akhil Dodda, doktorand i ingenjörsvetenskap och mekanik; och Sarbashis Das, doktorand i elektroteknik, notera idag i Naturkommunikation att "precisionen hos den biomimetiska anordningen kan ersätta kattugglan i storleksordningar."

Teamet skapade en serie split-gate molybdensulfidtransistorer för att efterlikna slumpens nervnätverk i ugglans hjärna. Split-gate transistorer producerar endast utsignal när båda sidorna av grinden matchar, så endast grinden som är inställd på en specifik längd kommer att registrera ljudet. De biomimetiska kretsarna använder också en tidsfördröjningsmekanism för att bromsa signalen.

Även om denna proof-of-concept-krets använder standardsubstrat och enhetstyper, forskarna tror att användning av 2D-material för enheterna skulle göra dem mer exakta och även mer energieffektiva, eftersom antalet split-gate transistorer kan ökas, ger mer exakta sammanträffande tider. Minskningen av strömförbrukningen skulle gynna enheter som arbetar inom lågströmsområdet.

"Miljontals år av evolution i djurriket har säkerställt att endast de mest effektiva materialen och strukturerna har överlevt, " sade Sarbashis Das. "I själva verket, naturen har gjort det mesta av arbetet för oss. Allt vi behöver göra nu är att anpassa dessa neurobiologiska arkitekturer för våra halvledarenheter."

"Medan vi försöker göra energieffektiva enheter, däggdjursdatorer med stöd av naturligt urval har krävt extrem energieffektivitet, som vi försöker efterlikna i våra enheter, sa Dodda.

Dock, att bara ha riktningen ger inte platsen för ljudkällan. För att faktiskt navigera eller lokalisera, en enhet skulle också behöva veta höjden på ljudkällan. Saptarshi Das noterade att höjd är en egenskap hos ljudets intensitet och forskarna arbetar med denna aspekt av problemet.

"Det finns flera djur som har utmärkt sensorisk bearbetning för syn, hörsel och lukt, " sade Saptarshi Das. "Människor är inte bäst på dessa."

Teamet tittar nu på andra djur och andra sensoriska kretsar för framtida forskning. Medan befintlig forskning inom området neuromorphic computing fokuserar på att efterlikna den mänskliga hjärnans intellektuella kapacitet, detta arbete kastar ljus över ett alternativt tillvägagångssätt genom att replikera supersensorerna i djurriket. Saptarshi Das anser att detta är en paradigmförändring på detta område.