Til hestesko flagermus, wiggling ører og næse gør biosonar mere informativ

Mennesker, og de fleste andre pattedyr, har bare fire muskler, der forbinder deres ører med deres hoved. Flagermus har mere end 20, og de bruger dem til at udføre en præcis række vrikker, drejer, og rykninger.

"På en tiendedel af et sekund, tre gange så hurtigt som du kan blinke med øjnene, flagermusene kan ændre formen på deres ører, sagde Rolf Mueller, lektor i maskinteknik ved Virginia Tech.

Mueller er hovedforfatter til en ny undersøgelse, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , viser, at disse hurtige, præcise bevægelser ligger til grund for flagermusernes evne til at vende sig gennem deres verden.

Flagermus -ekkolokalisering er en af ​​naturens bemærkelsesværdige præstationer inden for navigation.

Disse kvikke, natlige pattedyr udsender ultralydspulser fra deres mund eller næse, afhængigt af arten; bølgerne hopper af genstande i miljøet og bliver taget op igen af ​​flagermusens ører. De reflekterede bølger koder data om flagermusens omgivelser, hjælper dem med at navigere og jage i mørke, overfyldt, farlige miljøer.

Forskere forstår endnu ikke helt, hvordan dette biosonarsystem opnår sin ekstraordinære nøjagtighed. Flagermusen får kun to indkommende signaler, en i hvert øre, og skal konstruere et tredimensionelt kort, der er detaljeret nok til, at de kan glide gennem tætte skove og rutinemæssigt udføre usandsynlige sanseopgaver-at skelne en møls vingeslag fra bladets flagren, for eksempel.

Et stykke af puslespillet er den indviklede struktur af flagermusernes ører, som hjælper med at forme indkommende pulser. For næse-emitterende arter som hestesko flagermus Mueller undersøgelser, lignende udsmykkede strukturer kaldet næseblade fungerer som megafoner for at forstærke og forme udgående signaler.

Nu, Mueller har fundet ud af, at bevægelser af ører og næseblade hjælper, også, ved at pakke ekstra information ind i hver ultralydspuls, flagermusene modtager.

I løbet af de sidste mange år har hans gruppe har demonstreret, at disse hurtige bevægelser ændrer ultralydsbølgerne, der forlader næsen og ekkoerne, der kommer ind i ørerne.

Den nye undersøgelse er den første, der viser, at disse ændringer beriger signalernes informationsindhold. I særdeleshed, Mueller og hans kolleger viste, at ørernes og næsebladenes evne til at vedtage forskellige konformationer øger flagermusernes evne til at lokalisere kilden til indgående signaler.

For at teste, om bevægelsen af ​​hestesko flagermusører og næseblade forbedrer deres biosonar ydeevne, teamet genererede to modeller for hver struktur:en beregningsmodel og 3D-trykt kopi af næsebladet og en beregningsmodel og forenklet fysisk replika af øret.

Hver af de fire modeller blev testet i fem forskellige konfigurationer, simulere formændringerne under biosonaremission og modtagelse.

Forskerne fandt ud af, at hver af de fem konfigurationer gav en betydelig mængde unikke akustiske oplysninger. Jo længere fra hinanden to konfigurationer var, jo større er forskellen i signalerne, tyder på, at disse formændringer spiller en meningsfuld rolle i at levere mere detaljerede data.

For at undersøge, om disse yderligere oplysninger kan være nyttige til ekkolokalisering, forskerne analyserede, om en kombination af data fra alle fem konfigurationer forbedrede en sensors evne til at lokalisere kilden til en lydbølge.

Det gjorde det:at kombinere fem forskellige konfigurationer kontra i gennemsnit fem signaler fra den samme konfiguration øgede det maksimale antal retninger, sensoren kunne skelne med en faktor på 100 til 1000, afhængigt af støjniveauet.

Den forbedrede ydeevne var konsistent på alle fire modeller.

"Det, jeg fandt fantastisk, var, at effekten var meget robust, selv med de forenklede modeller, "Sagde Mueller." Du behøver ikke at gengive alle detaljerne i den rigtige flagermus for at se virkningen af ​​bevægelsen. "

Det tyder på, at styrket sensorkapacitet ved at bruge en dynamisk, mobil emitter og modtager skal kunne oversættes til konstruerede systemer, der er mindre komplekse end rigtige flagermus, forbedring af navigationen i autonome droner og nøjagtigheden af ​​enheder til talegenkendelse.

Retningsopløsning er sandsynligvis kun en funktion af ørernes og næsebladets hurtige bevægelse, og flagermusene har brug for mere end bare retningen for indgående signaler for at navigere gennem tykkelser og jage i overfyldte sværme.

For at undersøge andre aspekter af biosonar ydeevne, Mueller og hans team forfiner og opdaterer deres modeller og indarbejder nye flagermusarter i deres undersøgelser.

"Der er altid en næste version, " han sagde.