У людей и большинства других млекопитающих всего четыре мышцы, соединяющие уши с головой. У летучих мышей их более 20, и они используют их для выполнения точной серии покачиваний, поворотов и подергиваний.
«За одну десятую секунды, в три раза быстрее, чем вы можете моргнуть глазами, летучие мыши могут изменить форму своих ушей», - сказал Рольф Мюллер, доцент кафедры машиностроения Технологического института Вирджинии.
Мюллер является ведущим автором нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters, демонстрирующего, что эти быстрые и точные движения лежат в основе способности летучих мышей перемещаться по миру.
Эхолокация летучих мышей - одно из замечательных достижений природы в навигации.
Эти проворные ночные млекопитающие испускают ультразвуковые импульсы изо рта или носа, в зависимости от вида; волны отражаются от объектов в окружающей среде и снова улавливаются ушами летучих мышей. Отраженные волны кодируют данные об окружении летучих мышей, помогая им ориентироваться и охотиться в темных, многолюдных и опасных местах.
Исследователи еще не до конца понимают, как эта биосонарная система достигает своей необычайной точности. Летучая мышь получает всего два входящих сигнала, по одному в каждое ухо, и должна построить трехмерную карту, достаточно подробную, чтобы позволить им проноситься через густые леса и регулярно выполнять невероятные сенсорные задачи - отличать взмах крыльев мотылька от трепета листа, для пример.
Одним из кусочков головоломки является сложная структура ушей летучих мышей, которая помогает формировать входящие импульсы. Для видов, излучающих из носа, таких как подковообразные летучие мыши, которые изучает Мюллер, похожие декоративные структуры, называемые носовыми листьями, действуют как мегафоны, усиливая и формируя исходящие сигналы.
Теперь Мюллер обнаружил, что движения ушей и лепестков носа тоже помогают, упаковывая дополнительную информацию в каждый ультразвуковой импульс, который получают летучие мыши.
За последние несколько лет его группа продемонстрировала, что эти быстрые движения изменяют ультразвуковые волны, выходящие из носа, и эхо, входящие в уши.
Новое исследование впервые продемонстрировало, что эти изменения обогащают информационное содержание сигналов. В частности, Мюллер и его коллеги показали, что способность ушей и листьев носа принимать различные формы увеличивает способность летучих мышей локализовать источник входящих сигналов.
Чтобы проверить, улучшает ли движение ушей и листьев подковообразной летучей мыши их биосонарные характеристики, команда создала две модели для каждой структуры: компьютерную модель и 3D-печатную копию носового листа, а также вычислительную модель и упрощенную физическую копию. уха.
Каждая из четырех моделей была протестирована в пяти различных конфигурациях, имитирующих изменение формы во время излучения и приема биосонара.
Исследователи обнаружили, что каждая из пяти конфигураций обеспечивает значительное количество уникальной акустической информации. Чем дальше друг от друга находились две конфигурации, тем больше разница в сигналах, что позволяет предположить, что эти изменения формы играют значимую роль в предоставлении более подробных данных.
Чтобы выяснить, может ли эта дополнительная информация быть полезной для эхолокации, исследователи проанализировали, улучшает ли объединение данных из всех пяти конфигураций способность датчика локализовать источник звуковой волны.
Так получилось: объединение пяти различных конфигураций по сравнению с усреднением пяти сигналов из одной и той же конфигурации увеличило максимальное количество направлений, которые датчик мог различать, в 100-1000 раз, в зависимости от уровня шума.
Улучшенная производительность была одинаковой для всех четырех моделей.
«Что я нашел удивительным, так это то, что эффект был очень устойчивым, даже с упрощенными моделями», - сказал Мюллер. «Вам не нужно воспроизводить все детали настоящей летучей мыши, чтобы увидеть эффект движения».
Это говорит о том, что усиление сенсорных возможностей за счет использования динамического мобильного излучателя и приемника должно быть применимо к инженерным системам, менее сложным, чем настоящие летучие мыши, улучшая навигацию автономных дронов и точность устройств для распознавания речи.
Направленное разрешение, вероятно, является лишь одной из функций быстрого движения ушей и листьев носа, и летучим мышам нужно больше, чем просто направление входящих сигналов, чтобы ориентироваться в зарослях и охотиться в переполненных роях.
Чтобы исследовать другие аспекты работы биосонара, Мюллер и его команда уточняют и обновляют свои модели и включают в свои исследования новые виды летучих мышей.
"Всегда есть следующая версия", - сказал он.