La forma en que los cerebros de las lechuzas comunes usan el sonido para localizar a sus presas puede ser una plantilla para los dispositivos electrónicos de navegación direccional. según un equipo de ingenieros de Penn State que están recreando circuitos cerebrales de búho en electrónica.

"Ya estábamos estudiando este tipo de circuitos cuando nos topamos con el modelo de localización de sonido de Jeffress, "dijo Saptarshi Das, profesor asistente de ciencias de la ingeniería y mecánica.

El modelo de 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 averiguan de qué dirección proviene el sonido entre uno y 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 es tan buena ".

La capacidad de utilizar el sonido para localizar depende de la distancia entre los oídos. En lechuzas, esa distancia es bastante pequeña, pero los circuitos del cerebro se han adaptado para poder discriminar esta pequeña diferencia. Si el búho está frente a la fuente de sonido, entonces ambos oídos reciben el sonido simultáneamente. Si el sonido está desviado a la derecha, el oído derecho registra el sonido un poco antes que el izquierdo.

Sin embargo, localizar objetos mediante el sonido no es tan sencillo. 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 utilizan una red de nervios de diferentes longitudes con entradas de 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 de posgrado en ingeniería y mecánica; y Sarbashis Das, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica, nota hoy en Comunicaciones de la naturaleza que "la precisión del dispositivo biomimético puede superar 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 específica registrará 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 2-D para los dispositivos los haría más precisos y también más eficientes energéticamente, porque se podría aumentar el número de transistores de puerta dividida, proporcionando tiempos de coincidencia más precisos. La reducción en el consumo de energía beneficiaría a los dispositivos que trabajan en el dominio de bajo consumo.

"Millones de años de evolución en el reino animal han asegurado que solo sobrevivan los materiales y estructuras más eficientes, ", dijo Sarbashis Das." En efecto, la naturaleza ha hecho la mayor parte del trabajo por nosotros. Todo lo que tenemos que hacer ahora es adaptar estas arquitecturas neurobiológicas para nuestros dispositivos semiconductores ".

"Mientras intentamos fabricar dispositivos energéticamente eficientes, La computación en mamíferos respaldada por la selección natural ha requerido una eficiencia energética extrema, que intentamos 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 intensidad del sonido y los investigadores están trabajando en este aspecto del problema.

"Hay varios animales que tienen un excelente procesamiento sensorial para la vista, oír y oler, "dijo Saptarshi Das." Los humanos no son los mejores en esto ".

El equipo ahora está buscando otros animales y otros circuitos sensoriales para futuras investigaciones. Si bien la investigación existente en el campo de la computación neuromórfica se centra en imitar la capacidad intelectual del cerebro humano, este trabajo arroja luz sobre un enfoque alternativo al replicar los súper sensores del reino animal. Saptarshi Das considera que se trata de un cambio de paradigma en este campo.