Кашалоты, нейросети и подводная связь: что их объединяет?

Зачем людям имитировать звуки кашалотов? Как обычные щелчки и трески могут помочь разработать лучшие системы подводной связи? И что вообще учёные делают с этими песнями?

В глубинах океана каждый звук имеет значение. Вокруг лишь тьма и бездна, зрение почти бесполезно, и звуки — это всё: язык, радар и способ выживания.

Морские млекопитающие, особенно кашалоты, в этом настоящие мастера: они не только щёлкают, стонут и трещат, но и делают это так искусно, что учёные пытаются понять, как эти песни могут улучшить нашу подводную связь.

И да, здесь речь идёт не только о биологии, но и о технологиях. В мире, где подводная связь становится всё важнее, исследователи ищут вдохновение у природы.

Так, кашалоты, пусть и без своего ведома, становятся гуру для инженеров и учёных, которые работают над акустическими системами.

Как общаются кашалоты

Кашалоты — это настоящие любители поговорить. Их звуковой репертуар включает щелчки, трески и даже стоны, но, как и люди, они используют свои звуки не просто так, а с какой-то целью.

Щелчки — это их навигация. С помощью эхолокации они создают короткие импульсы, которые отражаются от объектов. Полученные отклики помогают понять, что находится вокруг: кораллы, рыбы или соседний кашалот, например.

Трески и стоны — больше про общение. Учёные считают, что эти звуки используются для сигналов друг другу, своего рода: «какой классный кальмар, иди сюда!».

И что удивительно: у кашалотов есть свои диалекты. В разных частях океана группы могут щёлкать по-разному. Это как акценты у людей: кто-то «гэкает», а кто-то «шокает», но все понимают друг друга.

Почему их песни так важны?

Вот в чём загвоздка: наши подводные акустические системы, будь то связь или гидролокаторы, не идеальны. Они страдают от множества проблем: помехи, слабый сигнал, шум от природных источников (например, тех же кашалотов).

Именно поэтому учёные хотят понять, как эти животные выживают в акустическом хаосе под водой.

Песни кашалотов изучают и с другой стороны. Например, для классификации отдельных особей. У каждой особи свой «почерк» в звуках. Ученые могут отличить одного кашалота от другого, буквально по звуковым подписям. Это важно для биологии и защиты этих животных.

Но для всех этих задач нужна тонна данных. А вот их-то как раз всегда не хватает: мало кто будет гулять под водой с микрофоном в руке, а записывать кашалотов — задача непростая. К тому же, многие базы данных либо закрыты, либо ограничены.

Синтез кашалотов

Вот тут на сцену выходят технологии.

Задача исследователей Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» была не из простых. Чтобы создать рабочую модель, им понадобились записи звуков настоящих кашалотов. Сначала учёные извлекли записи из открытых баз данных, а затем начали их обработку.

Исследователи меняли тембр, тон, добавляли шум, ускоряли и замедляли записи, чтобы сделать набор данных более разнообразным.

После этого звуки преобразовали в спектрограммы — это как фотография звука, где видны его частоты по времени.

Дальше началась работа с этими картинками. Учёные резали спектрограммы на кусочки, перемешивали их и заново собирали. Это помогло получить новые звуки, которые похожи на оригиналы, но являются полностью синтетическими.

А чтобы генерировать ещё более сложные сигналы, они использовали модифицированную нейросеть StyleGAN2-ADA.

Итог? Нейросеть, которая самостоятельно создает звуки кашалотов с минимальными отклонениями от реальных. Причём речь идёт о высокочастотных сигналах свыше 20 кГц, что критически важно для подводной акустики.

Если кто-то хочет ознакомится более подробно, то результаты опубликованы в научном журнале Big data and cognitive computing.

Почему это круто?

Главная цель — улучшить системы подводной связи: шум океана, в том числе и звуки морских обитателей, создаёт сильные помехи для акустических сигналов. Если мы поймём, как «песни» кашалотов влияют на передачу звука, появятся способы их обойти.

Кроме того, работа СПбГЭТУ открывает новые возможности в морской биологии. С помощью таких технологий можно более точно анализировать звуки разных млекопитающих и даже создавать их. Это поможет изучать поведение животных без вмешательства в их среду обитания.

И это ещё не всё, такой метод можно применить не только к морским млекопитающим: например, можно синтезировать звуки птиц или даже исследовать биоакустические сигналы других животных.

Этика

Но тут возникает важный вопрос: а не навредит ли всё это природе? Если системы подводной связи начнут имитировать звуки кашалотов, не создаст ли это помех для самих животных?

Некоторые учёные полагают, что подобные технологии должны разрабатываться с учётом их экологического воздействия. Ведь подводный шум уже сейчас негативно сказывается на жизни морских млекопитающих.

С другой стороны, если эти технологии будут использоваться для изучения и защиты животных, то вреда будет меньше, чем пользы. Например, при помощи генерации звуков можно будет создавать искусственные акустические приманки, которые позволят следить за передвижениями животных и защищать их от угроз.

Щас спою

Итак, песни кашалотов — это не просто милый факт о природе, но и окно в мир новых технологий и подводной связи, способ спасти биоразнообразие и улучшить наши технологии.

Кто бы мог подумать, что щелчки и стоны этих морских гигантов вдохновят науку? Теперь, благодаря нейросетям, мы не просто будем слушать океан — мы сможем его понимать.

А кто знает, может, в будущем и сами запоём с кашалотами.