La façon dont le cerveau de la chouette effraie utilise le son pour localiser ses proies peut être un modèle pour les appareils électroniques de navigation directionnelle, selon une équipe d'ingénieurs de Penn State qui recréent des circuits de cerveau de hibou en électronique.

« Nous étudiions déjà ce type de circuit lorsque nous sommes tombés sur le modèle Jeffress de localisation du son, " dit Saptarshi Das, professeur assistant en sciences de l'ingénieur et en mécanique.

Le modèle Jeffress, développé par Lloyd Jeffress en 1948, explique comment les systèmes auditifs biologiques peuvent enregistrer et analyser de petites différences dans le temps d'arrivée du son aux oreilles, puis localiser la source du son.

"Les hiboux savent de quelle direction vient le son à un ou deux degrés près, " a déclaré Saptarshi Das. " Les humains ne sont pas si précis. Les hiboux utilisent cette capacité pour chasser, en particulier parce qu'ils chassent la nuit et que leur vue n'est pas très bonne."

La capacité d'utiliser le son pour localiser repose sur la distance entre les oreilles. Chez les chouettes effraies, cette distance est assez petite, mais les circuits du cerveau se sont adaptés pour pouvoir discriminer cette petite différence. Si le hibou fait face à la source sonore, alors les deux oreilles reçoivent le son simultanément. Si le son est décalé vers la droite, l'oreille droite enregistre le son légèrement avant la gauche.

Cependant, localiser des objets par le son n'est pas si simple. La vitesse du son est plus rapide que les nerfs du hibou ne peuvent fonctionner, donc après que le cerveau du hibou ait converti le son en une impulsion électrique, le pouls est ralenti. Ensuite, les circuits du cerveau utilisent un réseau de nerfs de différentes longueurs avec des entrées provenant de deux extrémités, pour déterminer quelle longueur est l'endroit où les deux signaux coïncident ou arrivent en même temps. Cela fournit la direction.

Saptarshi Das et son équipe ont créé un circuit électronique qui peut ralentir les signaux d'entrée et déterminer le point de coïncidence, imitant le fonctionnement du cerveau de la chouette effraie.

Les chercheurs, qui incluent Saptarshi Das; Akhil Dodda, étudiant diplômé en sciences de l'ingénieur et mécanique; et Sarbashis Das, étudiant diplômé en génie électrique, noter aujourd'hui dans Communication Nature que "la précision du dispositif biomimétique peut remplacer la chouette effraie par des ordres de grandeur".

L'équipe a créé une série de transistors au sulfure de molybdène à grille divisée pour imiter le réseau nerveux de coïncidence dans le cerveau de la chouette. Les transistors à grille divisée ne produisent une sortie que lorsque les deux côtés de la grille correspondent, ainsi, seul le gate réglé sur une longueur spécifique enregistrera le son. Le circuit biomimétique utilise également un mécanisme de temporisation pour ralentir le signal.

Bien que ce circuit de preuve de concept utilise des substrats et des types de dispositifs standard, les chercheurs pensent que l'utilisation de matériaux 2D pour les appareils les rendrait plus précis et aussi plus économes en énergie, parce que le nombre de transistors à grille divisée pourrait être augmenté, fournissant des temps de coïncidence plus précis. La réduction de la consommation électrique profiterait aux appareils travaillant dans le domaine de la faible consommation.

"Des millions d'années d'évolution dans le règne animal ont fait en sorte que seuls les matériaux et les structures les plus efficaces ont survécu, " dit Sarbashis Das. " En effet, la nature a fait la plupart du travail pour nous. Il ne nous reste plus qu'à adapter ces architectures neurobiologiques à nos dispositifs semi-conducteurs."

« Alors que nous essayons de fabriquer des appareils économes en énergie, l'informatique des mammifères soutenue par la sélection naturelle a nécessité une efficacité énergétique extrême, que nous essayons d'imiter dans nos appareils, " dit Dodda.

Cependant, n'avoir que la direction ne fournira pas l'emplacement de la source sonore. Pour naviguer ou localiser, un appareil devrait également connaître la hauteur de la source sonore. Saptarshi Das a noté que la hauteur est une propriété de l'intensité du son et les chercheurs travaillent sur cet aspect du problème.

"Il y a plusieurs animaux qui ont un excellent traitement sensoriel pour la vue, ouïe et odorat, " a déclaré Saptarshi Das. " Les humains ne sont pas les meilleurs dans ce domaine. "

L'équipe examine maintenant d'autres animaux et d'autres circuits sensoriels pour de futures recherches. Alors que les recherches existantes dans le domaine de l'informatique neuromorphique se concentrent sur l'imitation de la capacité intellectuelle du cerveau humain, ce travail éclaire une approche alternative en répliquant les super capteurs du règne animal. Saptarshi Das considère qu'il s'agit d'un changement de paradigme dans ce domaine.