Передмова

Імітація біології для вдосконалення дизайну сенсорних систем та алгоритмів обробки сигналів процвітала в минулому і буде продовжувати робити це протягом десятиліть вперед. Технологічний прогрес, як правило, дотримувався закону Мура (можливість подвоєння кожні 2 роки або близько того) з 1960-х років, тоді як наше розуміння біологічних сенсорних систем також швидко просувається. Ці тенденції підживлюють благодатні підстави сенсорних систем, натхненних біо, тема, яка за своєю суттю є багатодисциплінарною. Ця книга призначена для використання в якості основного тексту для технічного факультативного курсу в навчальній програмі бакалаврату або випускника електротехніки, але вона, безумовно, може бути використана для суміжних цілей, а також. Доступні студентські матеріали для такого курсу раніше обмежувалися текстами сенсорної системи біології, роботизованими системами додатків, збірками робіт численних авторів, поточними технічними публікаціями та відповідними матеріалами, які були корисними, але незручними як студентський навчальний матеріал через складність біології та широкий спектр технічних застосувань. Там не було книги або резюме навчальних матеріалів, які систематично охоплюють природні фото-, механо-, і хемо-сенсорні системи по всьому тваринному світу, а також узагальнює різні нові інженерні ідеї, які glean ідеї з цих природних сенсорних систем.

Для односеместрового курсу очікується, що інструктор такого курсу буде шукати літературу для останніх конструкцій сенсорних систем, натхненних біологією, таких як приклади, вже висвітлені в цьому тексті. Рекомендується давати спеціальні завдання студентам на курсі, щоб переглянути літературу для відповідних робіт (або надати набір робіт на вибір) і представити свої висновки класу. Пропоноване завдання наведено в додатку А. Також рекомендується, щоб інструктор включав наступні безкоштовні тексти для більш глибокого висвітлення конкретної теорії лінійних систем та концепцій обробки зображень, коли це застосовно (наприклад, при обговоренні конкретного поточного застосування):

Улабі, Ф. та Ягл, А, Сигнали та системи: теорія та додатки, Мічиганське видавництво, ISBN 978-1-60785-487-6, 2018. Доступно за адресою ss2.eecs.umich.edu.

Ягл, А. та Улабі, Ф., Обробка зображень для інженерів, Мічиганське видавництво, ISBN 978-1-60785-489-0, 2018. Доступно за адресою ip.eecs.umich.edu.

Наступний текст часто посилається і рекомендується для набагато більш ретельного вивчення структури та функції природних сенсорних систем. Розбиття цієї теми на фото-, механо- та хемосенсорні системи натхненне організацією цієї книги:

Сміт, М., Біологія сенсорних систем, 2/e, Джон Вілі та сини, ISBN: 978-0-470-51862-5, 2008.

Оскільки посібники з рішень до підручників настільки доступні, має сенс працювати прикладом проблем у цьому тексті та надати подібні проблеми з вправами (лише надані відповіді) для оцінки навичок, необхідних для вирішення проблем. Існують також набори питань для того, щоб студент перевіряв своє розуміння матеріалу, що висвітлюється. На більшість цих питань безпосередньо відповідають в тексті, тому ключ відповіді окремо не надається.

Вводяться та працюють конкретні проблеми, які покликані посилити конкретні концепції, що охоплюються. Є багато різних інших проблем, які можуть бути введені, але мета полягає в тому, щоб тримати в межах одного семестру курсу. Нижче наведено неповний перелік типів проблем і чому вони були обрані для цього тексту:

Проблеми 2D згортки показують, як фільтрація зображень є 2D розширенням 1D згортки, охопленої в стандартному курсі лінійних систем.

Задача космічної постійної показує значне ослаблення іонного сигналу, коли він рухається вниз по аксону.

Проблеми моделі нейрональних схем підкреслюють, що багато разів нейрональні електронні сигнали обумовлені рухом іонів, а не електронів і дірок. У біології іони повинні заповнюватися; таким чином, схема включає в себе залежні джерела, які моделюють мікробіологічні структури, звані іонними насосами.

Проблеми виявлення руху показують, що затримані реакції сусідніх нейронів необхідні для більшості основних черг виявлення руху.

Проблеми обробки опонентів центру оточення показують, як три типи конусів з широко перекриваються реакціями по видимому електромагнітному спектру можуть бути об'єднані, щоб однозначно ідентифікувати дуже конкретні кольори.

Проблема вейвлет-аналізу та синтезу демонструє, що широко перекриваються фільтри можуть бути використані для кодування детальних сигналів та збереження енергії сигналу, що дуже важливо для біології.

Проблема відповіді слухових нейронів - ще один приклад того, як широко перекриваються відповіді сусідніх нейронів можуть бути використані для вилучення конкретної тональної інформації з вхідного джерела звуку.

Автор вдячний за односеместрову відпустку з професійного розвитку (PDL) у 2020 році, що дозволило завершити цей проект. Ренді Ханна, декан Університету штату Флорида Панама-Сіті (FSU PC), цінується за його готовність відкрити можливості PDL для спеціалізованого викладацького факультету на нашому кампусі. Шон Саксон, бібліотекар FSU PC, і Лора Міллер, бібліотекар відкритого видавництва FSU, були неоціненними за допомогу та поради щодо надання цього в найбільш практичному сенсі. Betul Adalier дуже цінується за те, що поділилася своїм дизайнерським талантом у створенні передньої та задньої обкладинки.

Ця книга надається безкоштовно відповідно до зазначеної раніше ліцензії Creative Commons. Просять повідомити нам, як ви плануєте користуватися книгою, і повідомити нам, як ми можемо зробити її кращою. З автором можна зв'язатися безпосередньо за коментарями та відгуками за адресою gbrooks@fsu.edu. Книгу можна завантажити з бібліотек ФСУ за адресою manifold.lib.fsu.edu/projects/bio-inspire-сенсорні системи.