Frø-omkvæd inspirerer til trådløse sensornetværk

Hvis du nogensinde har slået lejr ved en dam, du ved, at frøer laver en ketcher om natten; men hvad du måske ikke ved er, hvor funktionelle og regulerede deres omkvæd egentlig er. Frøer kommunikerer med lyd, og midt i deres rabalder er et internt orkestreret system, der lader information komme tydeligere igennem, samtidig med at det tillader kollektive omkvæd og tid til at hvile. Forskere fra Osaka University og University of Tsukuba forsøgte at udnytte denne amfibiske skarpsindighed til matematiske og teknologiske formål.

Holdet så på kaldemønstrene for mandlige japanske løvfrøer over forskellige tidsintervaller. For at gøre det, de placerede tre frøer i individuelle bure og optog deres vokale samspil. De fandt ud af, at frøerne både undgik overlappende kvækker og kollektivt skiftede mellem kald og tavshed. Forskerne skabte derefter en matematisk model til at tilpasse frøernes akustiske lære til teknologisk fordel, da sådanne mønstre ligner dem, der værdsættes i netværk. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Royal Society Open Science .

"Vi fandt, at nabofrøer undgik tidsmæssig overlapning, som tillader en klar vej for individuelle stemmer at blive hørt, " Forfatter af undersøgelsen Daichi Kominami forklarer. "På samme måde, tilstødende knudepunkter i et sensornetværk skal skifte timings for datatransmission, så datapakkerne ikke kolliderer."

I de observerede frø-trioer, der var også tider, hvor der veksledes mellem kollektive tavsheder og omkvæd. Undgåelse af overlapning var konsistent (deterministisk), mens sidstnævnte kollektive opkald var mere varierede (stokastiske). Et yderligere værktøj i mønsteret var, hvordan det smart tillader frøerne hvile pauser fra deres kald, som kræver meget energi.

Forskerne udviklede derefter en matematisk model, der inkorporerede frøernes vigtigste interaktionsmønstre og tilpassede dem til et fasebaseret format, der kan bruges til teknologiske midler.

"Vi modellerede de kaldende og tavse tilstande på en deterministisk måde, " ifølge hovedforfatteren Ikkyu Aihara, "mens de modellerede overgangene til og fra dem på en stokastisk måde. Disse modeller reproducerede kvalitativt kaldemønsteret af faktiske frøer og var derefter behjælpelige med at designe autonome distribuerede kommunikationssystemer."

Sådanne systemer skal smart regulere give og tage, aktivitet og hvile. Derfor, som tredje del af undersøgelsen, forskerne udnyttede modellen til datatrafikstyring i et trådløst sensornetværk. Disse netværk er en nøglekomponent i tingenes internet, da deres spredte sensorknuder måler og kommunikerer forskellige miljøkarakteristika. Derefter, gennem kompleks koordinering, indsamlede data føres til et centralt system.

De fandt ud af, at vekslen på kort tid var særlig effektiv til at afværge datapakkekollisioner. I mellemtiden, de cykliske og kollektive overgange i den lange tidsskala gav løfte om regulering af energiforbruget.

"Der er en dobbelt fordel ved denne undersøgelse, " siger medforfatter Masayuki Murata. "Det vil føre både til større biologisk viden i forståelsen af ​​frøens kor, og til større teknologisk effektivitet i trådløse sensornetværk."