Il modo in cui il cervello del barbagianni usa il suono per localizzare la preda può essere un modello per i dispositivi di navigazione direzionale elettronici, secondo un team di ingegneri della Penn State che stanno ricreando i circuiti del cervello del gufo in elettronica.

"Stavamo già studiando questo tipo di circuiti quando ci siamo imbattuti nel modello Jeffress di localizzazione del suono, " disse Saptarshi Das, assistente professore di scienze ingegneristiche e meccaniche.

Il modello Jeffress, sviluppato da Lloyd Jeffress nel 1948, spiega come i sistemi acustici biologici possono registrare e analizzare piccole differenze nel tempo di arrivo del suono alle orecchie e quindi individuare la fonte del suono.

"I gufi capiscono da quale direzione proviene il suono entro uno o due gradi, " ha detto Saptarshi Das. "Gli esseri umani non sono così precisi. I gufi usano questa capacità per cacciare soprattutto perché cacciano di notte e la loro vista non è così buona".

La capacità di utilizzare il suono per localizzare si basa sulla distanza tra le orecchie. Nei barbagianni, quella distanza è abbastanza piccola, ma i circuiti del cervello si sono adattati per essere in grado di discriminare questa piccola differenza. Se il gufo è rivolto verso la sorgente sonora, quindi entrambe le orecchie ricevono il suono contemporaneamente. Se il suono è a destra, l'orecchio destro registra il suono leggermente prima del sinistro.

Però, localizzare gli oggetti tramite il suono non è così semplice. La velocità del suono è più veloce di quella che i nervi del gufo possono funzionare, quindi dopo che il cervello del gufo converte il suono in un impulso elettrico, il polso viene rallentato. Quindi i circuiti del cervello utilizzano un reticolo di nervi di diversa lunghezza con input da due estremità, per determinare quale lunghezza è dove i due segnali coincidono o arrivano contemporaneamente. Questo fornisce la direzione.

Saptarshi Das e il suo team hanno creato un circuito elettronico in grado di rallentare i segnali di ingresso e determinare il punto di coincidenza, imitando il funzionamento del cervello del barbagianni.

I ricercatori, che includono Saptarshi Das; Akhil Dodda, studente laureato in scienze ingegneristiche e meccaniche; e Sarbashis Das, studente laureato in ingegneria elettrica, nota oggi in Comunicazioni sulla natura che "la precisione del dispositivo biomimetico può sostituire il barbagianni per ordini di grandezza".

Il team ha creato una serie di transistor al solfuro di molibdeno a gate diviso per imitare la rete nervosa di coincidenza nel cervello del gufo. I transistor a gate diviso producono output solo quando entrambi i lati del gate corrispondono, quindi solo il gate sintonizzato su una lunghezza specifica registrerà il suono. Il circuito biomimetico utilizza anche un meccanismo di ritardo temporale per rallentare il segnale.

Sebbene questo circuito di prova utilizzi substrati e tipi di dispositivi standard, i ricercatori ritengono che l'utilizzo di materiali 2D per i dispositivi li renderebbe più precisi e anche più efficienti dal punto di vista energetico, perché il numero di transistor split-gate potrebbe essere aumentato, fornendo tempi di coincidenza più precisi. La riduzione del consumo energetico andrebbe a vantaggio dei dispositivi che lavorano nel dominio a bassa potenza.

"Milioni di anni di evoluzione nel regno animale hanno assicurato che solo i materiali e le strutture più efficienti sono sopravvissuti, " disse Sarbashis Das. "In effetti, la natura ha fatto la maggior parte del lavoro per noi. Tutto ciò che dobbiamo fare ora è adattare queste architetture neurobiologiche per i nostri dispositivi a semiconduttore".

"Mentre stiamo cercando di realizzare dispositivi efficienti dal punto di vista energetico, l'informatica sui mammiferi supportata dalla selezione naturale ha richiesto un'estrema efficienza energetica, che stiamo cercando di imitare nei nostri dispositivi, " disse Dodda.

Però, avere solo la direzione non fornirà la posizione della sorgente sonora. Per navigare o individuare effettivamente, un dispositivo dovrebbe conoscere anche l'altezza della sorgente sonora. Saptarshi Das ha notato che l'altezza è una proprietà dell'intensità del suono e i ricercatori stanno lavorando su questo aspetto del problema.

"Ci sono molti animali che hanno un'eccellente elaborazione sensoriale per la vista, udito e olfatto, " disse Saptarshi Das. "Gli umani non sono i migliori in queste cose."

Il team sta ora esaminando altri animali e altri circuiti sensoriali per ricerche future. Mentre la ricerca esistente nel campo dell'informatica neuromorfica si concentra sull'imitazione della capacità intellettuale del cervello umano, questo lavoro fa luce su un approccio alternativo replicando i super sensori del regno animale. Saptarshi Das considera questo un cambiamento di paradigma in questo campo.