"סיווג אוטומטי של קריאות סונר של עטלף"

העטלף הוא היונק היחידי המסוגל לעוף מעוף אמיתי, הוא אינו עיוור ורואה מצויין באור ובחשיכה. מרבית העטלפים טורפים חרקים והודות להתחקות גנטית ממקמים אותם איפשהו בין סדרת הכלביים לסוסיים, לא רחוק מהיונקים הימיים, אבל אין ספק שהם לא דומים לשום דבר אחר. עובדה נוספת וחשובה, העטלפים משתמשים בקריאות סונר כדי להתמצא במרחב. קריאות הסונר האלה הן בעצם גלי קול. גלי הקול האלו פוגעים בעצמים שונים במרחב ולפי האופן בו גלי הקול חוזרים אל העטלף הוא יודע להבין איפה הוא במרחב ביחס לעצמים ואפילו באיזו מהירות העצמים האלה נעים ומאיזה חומר הם עשויים. 

בתאריך ה 14 לאוקטובר התקיים לראשונה יום פרויקטים מקוון לבית הספר להנדסת חשמל בחסות חברת VAYYAR החברה בארגון עמיתי התעשייה של הפקולטה להנדסה. כל תלמיד נדרש לבצע פרויקט בשנת לימודיו האחרונה כתנאי לקבלת התואר. הפרויקט יכול להתבצע בכל אחד מתחומי ההתמחות השונים והוא מהווה הזדמנות לסטודנט ליישם את הידע שרכש במהלך שנות הלימוד בפקולטה, להרחיב את אופקיו המקצועיים, ולהתנסות בעבודה מעשית. אמיר חזון ומיכאל מאיר קטפו את המקום השלישי בתחרות השנה עם הפרויקט "סיווג אוטומטי של קריאות סונר של עטלף".

הסטודנטים מאחורי הפרויקט

אמיר חזון, מסיים כעת תואר בהנדסת חשמל ופיזיקה באוניברסיטת תל אביב לאחר 4 שנים של לימודים. "ההשראה לבחירה בפרויקט הזה היא מבחינתי העיסוק בנושא של למידת מכונה. אני מתעניין בתחום והפרויקט היה הזדמנות טובה לבצע שימוש פרקטי בכלי הזה" מספר אמיר.
מיכאל מאיר, סיים תואר ראשון בהנדסת חשמל ופיזיקה באוניברסיטת תל אביב (4 שנים) ומתחיל כעת תואר שני בפיזיקה במכון וייצמן. "אני מאוד נמשך לביולוגיה ולטבע ולכן זה היה טבעי עבורי לנסות לשלב את הנושאים האלו בפרויקט הגמר. לפני תחילת הפרויקט עשיתי גם קורס בחירה בביולוגיה מולקולרית וגם במסגרת משרת הסטודנט בה עבדתי במהלך התואר הראשון סייעתי בפיתוח תכנה לצורכי מחקר ביולוגי במכון וייצמן. גם כאן- ראיתי הזדמנות ליישם כלים הנדסיים כדי לתת מענה לבעיה ביולוגית, מה שנראה לי מאוד מעניין" מספר מיכאל.

מטרת הפרויקט

מטרת הפרויקט היא לאפשר לבצע סקרים אקולוגיים באופן יעיל. כלומר, להצליח לאפיין אילו זני עטלפים חיים בסביבת עניין נתונה ובאילו כמויות. כידוע, עטלפים משתמשים בקריאות סונר כדי להתמצא במרחב. קריאות הסונר האלה הן בעצם גלי קול. גלי הקול האלו פוגעים בעצמים שונים במרחב ולפי האופן בו גלי הקול חוזרים אל העטלף הוא יודע להבין איפה הוא במרחב ביחס לעצמים ואפילו באיזו מהירות העצמים האלה נעים ומאיזה חומר הם עשויים. "אנחנו, בעצתו של פרופסור יוסי יובל, מרצה וחוקר בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס.וייז, ראש המעבדה לתפיסה חושית וקוגניציה במחלקה לזואולוגיה וחוקר התנהגות בשדה, במעבדה ובתוך המוח עצמו, בעצם השתמשנו בקריאות הסונר האלה על מנת להבחין בין זני עטלפים שונים. זאת, מפני שלכל זן עטלף מאפיינים ייחודיים לקריאות הסונר שלו. מה שעשינו בפרויקט זה לבנות אלגוריתם מבוסס למידת מכונה המאפשר לאפיין הקלטה של קריאות סונר ולהבין לאיזה זן עטלף קריאה זו משתייכת. קיבלנו הקלטות עטלפים שזוהו על ידי ביולוגים, כך שכל קריאה שויכה לזן מסוים. לאחר מכן, ביצענו עיוותים קטנים ומכוונים להקלטות האלו על מנת לייצר סימולציות שייצגו קריאות נוספות. זו שיטה שמאפשרת להגדיל את מאגר המידע עליו מבוסס תהליך הלמידה של האלגוריתם באופן מלאכותי. על בסיס מידע זה, בוצע תהליך של למידת מכונה וכעת האלגוריתם "מכיר" 8 זני עטלפים ויכול לזהות אותם בהקלטה באחוזי הצלחה, שנעים בין 70% לכמעט 100% כתלות באיכות ההקלטה ובזן העטלף." מסביר מיכאל.

בנוסף,בנו מיכאל ואמיר ממשק (UI) המאפשר למשתמשים להשתמש באלגוריתם ואף ללמד אותו איך לזהות זנים חדשים, כך שבעצם כל אחד יכול להשתמש בכלי הזה - גם אם הוא לא יודע לתכנת או לא מבין איך האלגוריתם עובד כלל.

בתמונה מצד ימין: זו ספקטרוגרמה של קריאת סונר יחידה- ציר X זה הזמן, ציר Y זה התדר והעוצמה מיוצגת על ידי שינויים בצבע (צהוב- עוצמה גבוהה, כחול- עוצמה נמוכה). ניתן לראות כמה פרמטרים שהשתמשנו בהם לייצוג הקריאה- מרכז המסה במישור התדר-זמן (כאשר האנלוג למסה זה עוצמה), שיפועים של קריאת הסונר ב- 3 נקודות שונות (תחילת אמצע וסוף הקריאה) ורוחב הפס של הקריאה.

בתמונה מצד שמאל: רואים גרף שמייצג את העוצמה הכוללת כפונקציה של הזמן עבור אותה קריאה. מכאן- אנחנו מחלצים זמן אופייני שלוקח לקריא העטלף להגיע ל 90% מעוצמתה המירבית (rise time). סט המכיל את הפרמטרים האלו ונוספים מייצג כל קריאה, ואלגוריתם למידת המכונה מקבל את הנתונים האלו לאחר שכל קריאה שמגיעה אליו עוברת תהליך עיבוד דומה.