Estructuras sensoriales de sistemas biomiméticos

El éxito del sonar biológico de los cetáceos (delfines y ballenas) y murciélagos ha influido para que en las nuevas estructuras sensoriales que se desarrollan esté implícita la constitución física de los sistemas sonar de estos mamíferos. Éstos usan su sistema de detección para realizar diversas tareas como cazar a sus presas, localizar y clasificar

objetos, entre otras [Kuc, 1997] [Houser et al., 1999]. El sistema auditivo es el que se encarga de procesar los ecos recibidos a través de un filtrado mecánico y neurológico, para posteriormente ser analizados en el sistema nervioso. Estos tres procesos son las principales características del modelo biomimético del sistema sensorial de los cetáceos y murciélagos.

Entre los pioneros de la ecolocalización se encuentra el profesor James A. Simmons que ha trabajado en distintos proyectos relacionados con los murciélagos y su forma de cazar insectos [Simmons et al., 1992]. Él ha investigado el comportamiento en la caza de un insecto y cómo son interceptados éstos por los murciélagos en el aire, en ambiente de poca luminosidad y aun en presencia de algunos objetos como árboles, que hacen más difícil la tarea del murciélago.

El murciélago es el único mamífero que nace con la habilidad de volar y con la característica de que su visión es casi nula. Algunos murciélagos localizan sus presas al emitir chillidos en pequeños intervalos de tiempo. Con ello logran que los sonidos emitidos reboten en los objetos (presa) y produzcan los ecos que les dan información detallada de la presa para su localización y clasificación.

Uno de los primeros sistemas sensoriales que fue influenciado por el sistema sonar de los murciélagos es el desarrollado por Kuc [1997], como se representa en la Figura 2.11. Este sistema sonar está conformado por tres transductores, un emisor y dos receptores, en donde los receptores tienen la particularidad de que no están fijos y pueden orientarse para encontrar la máxima intensidad de los ecos recibidos.

D=5 cm R1 E R2 D=5 cm Objeto1 (x,y) D=5 cm R1 E R2 D=5 cm Objeto1 (x,y)

Figura 2.11. Estructura biosonar formada por tres transductores desarrollada en [Kuc, 1997].

Este sistema sonar emite un pulso acústico a través del transductor central, y los laterales reciben un eco si existe un objeto cercano. Si el eco es recibido sólo por el transductor de la derecha, la cabeza del robot girará hacia este lado para volver a emitir y detectar el objeto. El TDV del eco recibido se determina al calcular el tiempo de retardo desde que se emitió la señal ultrasónica, hasta el momento en que se capta la

forma de onda del primer eco recibido. A través del TDV calculado en el receptor R1 se define un elipsoide con focos (R1, E) que representa la posible detección de un blanco en los límites de dicha elipsoide. Para localizar con precisión el objeto se realiza una segunda emisión, y del eco recibido en R2 se genera otro elipsoide con focos (R2, E). La localización del blanco se genera mediante la intersección de las dos elipses en la dirección de detección. Posteriormente, en [Carmena et al., 2000] se desarrolló un robot que también está basado en la arquitectura biosonar del murciélago, como se muestra en la Figura 2.12. Este diseño consiste en un emisor y dos receptores montados en una estructura con servomotores. Las señales recibidas por los receptores son enviadas al módulo de procesamiento de señal, el cual emula el comportamiento de la cóclea de los mamíferos y la salida de este módulo activa el control de los motores en la cabeza del sonar.

16 cm

15 cm Receptor derecho Receptor izquierdo

Emisor

Servomotor

Figura 2.12. Robot que emula el comportamiento de un murciélago [Carmena et al., 2000].

Peremans y otros investigadores [CIRCE, 2005] han logrado implementar un sistema biomimético que emule el comportamiento biológico del sonar de un murciélago dentro del proyecto “Chiroptera Inspired Robotic CEphaloid (CIRCE): A Novel Tool for Experiments in Synthetic Biology”. Básicamente realizan una réplica del sistema biológico del sonar de un murciélago emulando las características internas y externas de éste [Peremans et al., 2003]. El objetivo general del proyecto CIRCE es reproducir a nivel funcional el sistema biosonar de un murciélago para construir una cabeza biónica que pueda ser usada para investigar cómo es el mundo explorado por los murciélagos y cómo realizan la tarea de detección y localización de objetos en su hábitat natural. Las cuatro principales tareas a desarrollar para emular el comportamiento del sistema sonar de un murciélago son:

• La construcción de una cóclea artificial que logre convertir las ondas de sonido a una variación de voltaje (una respuesta neuronal).

• El desarrollo de un sistema micro-mecánico para controlar el movimiento de la oreja (pinna y trago) [Jones et al., 2000] y proveer de una mejor directividad, al encontrar la máxima intensidad de donde provenga el sonido.

• El diseño e implementación de perfiles para formar haces. Esta tarea consiste en obtener el mejor rendimiento de la pinna, tomando como referencia las distintas formas de las orejas de varios murciélagos y verificando su comportamiento ante la presencia de una señal acústica.

• La construcción de un transductor con el cual se obtenga el mejor rendimiento al transmitir y recibir una onda de sonido ultrasónica.

El prototipo que emula el comportamiento de la cabeza biosonar desarrollado en el proyecto CIRCE puede observarse en la Figura 2.13. Este prototipo consta de tres transductores (un emisor y dos receptores) que tienen una respuesta plana alrededor de 20kHz-200kHz [Peremans et al., 2005]. Cada transductor está constituido por un nuevo tipo de material llamado EMFi (Electro Mechanical Film) [Streicher et al., 2005] el cual tiene una buena adaptación al aire, además ser una película muy delgada. En cada receptor (oreja) se combina el movimiento de dos motores que son utilizados para localizar la fuente de sonido con mayor intensidad que puede ser captada por el transductor.