Cochlée 3D, Intelligente et ultra basse consommation – ULP-COCHLEA
ULP SMART 3D COCHLEA : Capteurs acoustiques bio-inspirés pour la surveillance et l'analyse de l'environnement marin
Le projet ULP COCHLEA permettra, par mimétisme, la conception de capteurs acoustiques bio-inspirés plus intelligents, plus petits, moins chers et passifs pour la surveillance et l'analyse in-situ sur de longues durées de l'environnement marin et des activités maritimes associées, en particulier en mer Méditerranée. Le projet permettra le développement de modèles cognitifs et prédictifs pour comprendre la vie sous-marine à de plus longues échelles spatiales et temporelles.
Notre but est de développer des capteurs acoustiques. Entièrement bio-inspirés, ultra-basse consommation, intelligents, ils peuvent surveiller in situ et durablement avec moins de 10 milliwatts
Objectif 1 : Concevoir une cochlée analogique bio-inspirée<br />L'objectif est de concevoir une cochlée CMOS bioinspirée capable (comme toute oreille de mammifère) de convertir des signaux analogiques acoustiques en trains parallèles d'impulsions et de permettre leur localisation par couplage en reseaux de cochlées. Ces cochlées seront connectées à un hydrophone ULP existant pour écouter et localiser les événements acoustiques avec une grande précision.<br /><br />Objectif 2 : Concevoir une puce ULP AI pour la reconnaissance de signatures acoustiques<br />La « puce IA » fait référence à la nouvelle génération de microprocesseurs spécialement conçus pour imiter le cerveau afin de traiter les tâches d'intelligence artificielle plus rapidement, en utilisant considérablement moins d'énergie tout en étant hors du cloud. Nous souhaistns développer le premier processeur audio bioinspiré et binaural utilisant des réseaux de neurones à impulsions (SNN) dont la consommation électrique serait comprise entre 1 et 10 milliwatts.<br /><br />Objectif 3 : Détecter et localiser des événements acoustiques spécifiques pour la préservation de l'écosystème marin.<br />Notre capteur acoustique peut être bien programmé pour détecter des événements d'intérêt très spécifiques, pour produire des «alertes« avec des informations spatiales associées. Il peut détecter des espèces vulnérables comme les cétacés et alerter de leur présence. À l'opposé, il peut détecter les bateaux de pêcheurs, les bateaux touristiques, la pêche illégale avec des explosifs qui peuvent interférer avec la communication des poissons et les mettre en danger.<br /><br />Objectif 4 : Développer des modèles acoustiques de la vie marine à travers les paysages sonores et l'écoacoustique<br />Le programme de surveillance associé au développement de technologies innovantes de détection et de traitement acoustiques bio-inspirées nous donnera un aperçu des paysages sonores marins de la Méditerranée centrale et une image de leur composition en termes de sources biologiques vs sources de bruit anthropiques.
Nous ciblons la conception du premier capteur acoustique bioinspiré de bout en bout intégrant un système embarqué d'IA, avec une consommation d'énergie d'environ 10 milli Watt.
Notre objectif est de les tester pour étudier la vie marine, des coquillages à la baleine bleue, et de fournir des données sur l'abondance, la distribution et le comportement de la vie marine.
Nous visons également à développer des capteurs ULP réglés pour détecter et alerter sur les événements acoustiques d'intérêt (présence de baleines et de dauphins, passages de navires, pêche illégale à l'explosif, exploration pétrolière, etc.).
Les spécifications techniques de l'hydrophone intelligent bioinspiré sont les suivantes :
• Cochlée analogique bioinspirée (filtre de banque, lecture des pointes via le neurone biomimétique) : ULP (10 milliwatts), UWB (1 kHz à 100 kHz - 32 bandes) avec audition binaurale bioinspirée (gain, localisation, comprend un corrélateur)
• Puce ULP AI (1 milliwatt) exécutant un réseau de neurones Spiking optimisé dédié aux capacités de reconnaissance de formes des signatures acoustiques
• Capteurs bien réglés pour détecter et alerter sur les événements acoustiques d'intérêt : (1) la présence de baleines et de dauphins et leur activité, comme la communication sociale ou la chasse (2) le bruit anthropique (bateaux de pêcheurs, bateaux touristiques, pêche illégale avec des explosifs ).
Ce programme de recherche repose sur la synergie interdisciplinaire entre trois communautés distantes capables de se développer : l'électronique analogique ULP (transistors CMOS fonctionnant en fonctionnement sous-seuil profond), l'intelligence artificielle (apprentissage automatique, réseaux de neurones spiking) & les puces ULP AI, et la bioacoustique/ écoacoustique.
Cette technologie contribue fortement au développement durable grâce à un suivi précis de l'écosystème sous-marin de lus en plus exposé au bruit des activités humaines, à la pollution ou au réchauffement des océans. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'un processeur ULP AI qui traite les données naturelles (trains d'impulsions reflétant les caractéristiques du signal acoustique d'entrée) émises par la ou les cochlées pour détecter, localiser, enregistrer, analyser, classer et alerter les événements acoustiques de intérêt (présence de cétacés, passages de bateaux, pêche illégale à l'explosif).
L'océan est la pierre angulaire de la Terre et sa biodiversité est menacée. Réchauffement climatique, acidification, zones mortes... l'océan est l'une des premières victimes des émissions de CO2, mais il nous protège aussi en l'absorbant, un rôle vital que nous devons prendre en compte dans les politiques climatiques. conception de politiques incitatives pour la durabilité environnementale, pour suivre leur efficacité dans le temps et proposer des options pour les ajuster.
Le domaine applicatif est bien plus vaste que l'écoacoustique des océans et concerne tout type de sons en mer, dans l'air ou au sol, y compris les chauves-souris, les oiseaux, les grillons, les abeilles, les vers souterrains, voire la remontée de la sève dans les arbres pour mesurer de nombreux aspects de notre biodiversité et son évolution.
L'océan est la pierre angulaire de la Terre et sa biodiversité est menacée. Réchauffement climatique, acidification, zones mortes... l'océan est l'une des premières victimes des émissions de CO2, mais il nous protège aussi en l'absorbant, un rôle vital que nous devons prendre en compte dans les politiques climatiques. conception de politiques incitatives pour la durabilité environnementale, pour suivre leur efficacité dans le temps et proposer des options pour les ajuster.
Le domaine applicatif est bien plus vaste que l'écoacoustique des océans et concerne tout type de sons en mer, dans l'air ou au sol, y compris les chauves-souris, les oiseaux, les grillons, les abeilles, les vers souterrains, voire la remontée de la sève dans les arbres pour mesurer de nombreux aspects de notre biodiversité et son évolution.
CRIStAL, Université de Lille
- P. Devienne, P. Boulet and al. VS2N: Interactive Dynamic Visualization and Analysis Tool for Spiking
Neural Networks, session Bio-inspired circuits for multimedia, CMBI, Juillet 2021
- P. Devienne, P. Boulet and al. Unsupervised visual feature learning with spike-timing-dependent plasticity:
How far are we from traditional feature learning approaches? Pattern Recognition, Elsevier, 2019, 93, pp.418-
429.
- P. Devienne, P. Boulet and al., Multi-layered Spiking Neural Network with Target Timestamp Threshold
Adaptation and STDP. International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), Jul 2019, Budapest,
Hungary.
IEMN, Université de Lille
- Danneville F., Carpentier K., Sourikopoulos I., Loyez C., Sub-0.3V CMOS neuromorphic technology and its
potential application, Invited Paper, Special Session “Bio-inspired circuits, systems and algorithms for
multimedia”, CBMI 2021, 28-30 June 2021
- Danneville F., Loyez C., Carpentier K., Sourikopoulos I., Mercier E., Cappy A., A sub-35 pW Axon-Hillock
artificial neuron circuit, Solid-State Electron., 153 (2019) 88-92
- Cappy A., Danneville F., Hoël V., Loyez C., Neurone Artificiel, FRANCE (Institut National de la Propriété
Industrielle), FR3050050, 13 Octobre 2017 (patent)
INPS, Université de Toulon
- Hervé Glotin and al. Inter-annual decrease in pulse rate and peak frequency of Southeast Pacific blue whale
song types, Nature, Scientific Reports, V10, 8121, 2020
- M. Poupard et al., «Real-time Passive Acoustic 3D Tracking of Deep Diving Cetacean by Small Non-uniform
Mobile Surface Antenna,« ICASSP 2019 - 2019 IEEE ICASSP, Brighton, United Kingdom, 2019.
- M. Fourniol, V. Gies, V. Barchasz, E. Kussener, H. Barthelemy, R. Vauche and H. Glotin, Low-Power WakeUp System based on Frequency Analysis for Environmental Internet of Things, IEEE MESA 2018
Ce projet vise à développer des capteurs acoustiques passifs radicalement nouveaux. Bioinspirés, ultra basse consommation (ULP), intelligents et compacts, ils peuvent surveiller in situ sur des périodes prolongées avec -une consommation de moins de 10 milliwatts (cent fois mieux que la technologie actuelle).
Le capteur est construit autour d'une cochlée analogique de très faible puissance (ULP) opérant un pré-traitement de données d'entrées (signaux acoustiques analogiques convertis en trains d'impulsions), associée à un processeur ULP qui met en œuvre des réseaux de neurones à impulsions ayant des capacités d'apprentissage. Ces capteurs sont quasiment «invisibles» et présentent une faible empreinte environnementale. Ils analysent les données hors du cloud, tout en étant robustes car fabriqués dans la technologie CMOS standard (à faible coût). Ils peuvent couvrir une grande surface et sont sans entretien (longue durée de vie de la batterie ou alimentés par la récupération d'énergie).
Cette technologie contribue fortement au développement durable grâce à un suivi précis de l'écosystème sous-marin et son exposition croissante au bruit des activités humaines, à la pollution ou au réchauffement des océans. Ceci est rendu possible grâce à l'utilisation d'un processeur ULP AI hautement réglable, qui traite les données naturelles captées grâce à la ou les cochlées ULP CMOS pour permettre d'enregistrer, analyser et classer toute ou partie de nos écosystèmes (écoacoustique), pour détecter, alerter, localiser des événements acoustiques particuliers (présence de cétacés, passages de bateaux, pêche illégale aux explosifs), protéger nos parcs naturels marins .
L'océan est le poumon de la Terre et sa biodiversité est menacée. Réchauffement, acidification, zones mortes... l'océan est une des premières victimes des émissions de CO2, mais il nous en protège aussi en l'absorbant, un rôle vital que nous devons prendre en compte dans les politiques climat. Les résultats du projet permettront de concevoir des politiques d'incitation pour la protection environnementale, de suivre leur efficacité au fil du temps et de proposer des options pour les ajuster.
Le domaine applicatif est beaucoup plus large et concerne tout type de sons en mer, dans l'air ou au sol, y compris les chauves-souris, les oiseaux, les crickets, les abeilles, les vers de terre, voire la montée de la sève dans les arbres pour mesurer de nombreux aspects de notre biodiversité et son évolution..
Ce programme interdisciplinaire s'appuie sur trois communautés: l'électronique ULP analogique, l'apprentissage automatique, la bioacoustique et l'anthropologie. Cette technologie autorisera le suivi acoustique de tout écosystème sous-marin ou non à faible coût et une mesure de l'impact des activités humaines en terme de pollution sonore et de réchauffement climatique.
Coordination du projet
Pierre Boulet (Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille)
L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.
Partenaire
CRIStAL Centre de Recherche en Informatique, Signal et Automatique de Lille
INPS Pôle information, prévention, santé
IEMN Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Aide de l'ANR 517 285 euros
Début et durée du projet scientifique :
janvier 2022
- 48 Mois
