A forma como o cérebro da coruja usa o som para localizar a presa pode ser um modelo para dispositivos eletrônicos de navegação direcional, de acordo com uma equipe de engenheiros da Penn State que estão recriando os circuitos do cérebro de coruja na eletrônica.

"Já estávamos estudando esse tipo de circuito quando nos deparamos com o modelo de localização sonora de Jeffress, "disse Saptarshi Das, professor assistente de ciências da engenharia e mecânica.

O modelo Jeffress, desenvolvido por Lloyd Jeffress em 1948, explica como os aparelhos auditivos biológicos podem registrar e analisar pequenas diferenças no tempo de chegada do som aos ouvidos e, em seguida, localizar a fonte do som.

"As corujas descobrem de que direção o som está vindo com uma diferença de um a dois graus, "disse Saptarshi Das." Os humanos não são tão precisos. As corujas usam essa habilidade para caçar, especialmente porque eles caçam à noite e sua visão não é tão boa. "

A capacidade de usar o som para localizar depende da distância entre as orelhas. Em corujas de celeiro, essa distância é bem pequena, mas o circuito do cérebro se adaptou para ser capaz de discriminar essa pequena diferença. Se a coruja estiver voltada para a fonte de som, então, ambas as orelhas recebem o som simultaneamente. Se o som estiver desligado para a direita, o ouvido direito registra o som um pouco antes do esquerdo.

Contudo, localizar objetos pelo som não é tão simples. A velocidade do som é mais rápida do que os nervos da coruja podem funcionar, então, depois que o cérebro da coruja converte o som em um pulso elétrico, o pulso é desacelerado. Em seguida, o circuito do cérebro usa uma rede de nervos de diferentes comprimentos com entradas de duas extremidades, para determinar em qual comprimento os dois sinais coincidem ou chegam ao mesmo tempo. Isso fornece a direção.

Saptarshi Das e sua equipe criaram um circuito eletrônico que pode desacelerar os sinais de entrada e determinar o ponto de coincidência, imitando o funcionamento do cérebro da coruja-das-torres.

Os pesquisadores, que incluem Saptarshi Das; Akhil Dodda, estudante de graduação em ciências da engenharia e mecânica; e Sarbashis Das, estudante de graduação em engenharia elétrica, anote hoje em Nature Communications que "a precisão do dispositivo biomimético pode substituir a coruja de celeiro em ordens de magnitude."

A equipe criou uma série de transistores de sulfeto de molibdênio de porta dividida para imitar a rede de nervos de coincidência no cérebro da coruja. Transistores de porta dividida só produzem saída quando ambos os lados da porta combinam, portanto, apenas o gate sintonizado em um comprimento específico registrará o som. O circuito biomimético também usa um mecanismo de retardo de tempo para desacelerar o sinal.

Embora este circuito de prova de conceito use substratos e tipos de dispositivos padrão, os pesquisadores acreditam que o uso de materiais 2-D para os dispositivos os tornaria mais precisos e também mais eficientes em termos de energia, porque o número de transistores de porta dividida pode ser aumentado, fornecendo tempos de coincidência mais precisos. A redução no consumo de energia beneficiaria os dispositivos que trabalham no domínio de baixa energia.

"Milhões de anos de evolução no reino animal garantiram que apenas os materiais e estruturas mais eficientes sobreviveram, "disse Sarbashis Das." Na verdade, a natureza fez a maior parte do trabalho por nós. Tudo o que temos que fazer agora é adaptar essas arquiteturas neurobiológicas para nossos dispositivos semicondutores. "

"Enquanto tentamos fazer dispositivos com eficiência energética, a computação de mamíferos apoiada pela seleção natural exigiu extrema eficiência energética, que estamos tentando imitar em nossos dispositivos, "disse Dodda.

Contudo, ter apenas a direção não fornecerá a localização da fonte de som. Para realmente navegar ou localizar, um dispositivo também precisaria saber a altura da fonte de som. Saptarshi Das observou que a altura é uma propriedade da intensidade do som e os pesquisadores estão trabalhando neste aspecto do problema.

“Existem vários animais que possuem um excelente processamento sensorial para a visão, ouvir e cheirar, "disse Saptarshi Das." Os humanos não são os melhores nisso. "

A equipe está agora examinando outros animais e outros circuitos sensoriais para pesquisas futuras. Embora as pesquisas existentes no campo da computação neuromórfica se concentrem em imitar a capacidade intelectual do cérebro humano, este trabalho lança luz sobre uma abordagem alternativa, replicando os super sensores do reino animal. Saptarshi Das considera isso uma mudança de paradigma neste campo.