Любой, кто проезжал мимо машины скорой помощи на высокой скорости, испытал физический эффект, называемый допплеровским сдвигом: когда машина скорой помощи движется к слушателю, ее движение сжимает звуковые волны сирены и повышает высоту звука. По мере того, как машина скорой помощи удаляется от слушателя, звуковые волны расширяются, а высота тона снижается. Слушатель с повязкой на глазах может использовать эту схему доплеровского сдвига для отслеживания движения машины скорой помощи.
В статье, опубликованной Proceedings of the National Academy of Sciences, авторы, Рольф Мюллер, профессор машиностроения Инженерного колледжа, и его докторант Сяоянь Инь, демонстрируют, что уши летучих мышей со «встроенной скорой помощью», создающей такой же физический эффект. Инь и Мюллер считают, что изучение генерируемых ухом доплеровских сдвигов в биосонаре летучих мышей может привести к новым сенсорным принципам, которые позволят использовать небольшие, но мощные датчики. Примером датчика этого типа могут быть дроны, которые могут работать в густой листве, или автономные подводные аппараты, перемещающиеся вблизи сложных подводных сооружений.
«Животные двигают ушами достаточно быстро, так что звуковые волны, попадающие в уши, преобразуются движением поверхностей ушей и сдвигаются в сторону более высоких или низких частот», - сказал Мюллер. «На самом деле, изученные виды летучих мышей (подковообразные летучие мыши и круглолистные летучие мыши Старого Света) могут двигать ушами так быстро, что могут быть созданы доплеровские сдвиги около 350 Гц. Это примерно в семь раз больше, чем наименьшее доплеровское смещение, которое было показано животным. чтобы иметь возможность обнаруживать."
Давно известно, что доплеровские сдвиги играют важную роль в биосонарной системе летучих мышей, таких как виды, изученные Мюллером и Инь. Летучие мыши обладают завидной способностью охотиться в очень густой растительности, но для этого им приходится решать проблему, как отличить мотылька, их предпочтительную добычу, из сотен окружающих ее листьев.
«Решение, которое придумали эти два типа летучих мышей, заключалось в том, чтобы настроиться на доплеровские сдвиги, которые производятся взмахами крыльев их добычи», - объяснил Мюллер. «Эти «хорошие доплеровские сдвиги» служат уникальной идентифицирующей чертой, которая отличает добычу от статических отвлекающих факторов, таких как листья в листве».
Исследователи рано осознали, что собственное движение летучих мышей в полете также вызывает доплеровские сдвиги, которые могут мешать восприятию доплеровских сдвигов, вызванных добычей. В конце 1960-х решение этой головоломки было найдено, когда было обнаружено, что подковообразные летучие мыши снижают частоту своего излучения на величину, которую тщательно контролируют, чтобы точно исключить любые «плохие доплеровские сдвиги», вызванные скоростью полета летучих мышей.
«После этих новаторских открытий в научном сообществе сложилось мнение, что роль доплеровских сдвигов в биосонарных системах этих животных была полностью понята», - сказал Мюллер. «Допплеровские сдвиги из-за движений добычи - это «хорошие доплеровские сдвиги», для обнаружения которых оптимизирована вся слуховая система животных, тогда как доплеровские сдвиги из-за собственного движения летучих мышей - это «плохие доплеровские сдвиги», которые животные устраняют с помощью обратной связи. их излучение."
Хотя Мюллер и Инь обнаружили в литературе начала 1960-х годов предположения о том, что летучие мыши могут вызывать доплеровские сдвиги движениями собственных ушей, эта идея так и не была подкреплена экспериментальной работой.
В работе, проведенной Мюллером и Инь, было тщательно измерено движение поверхностей уха с использованием стереозрения, основанного на высокоскоростных видеокамерах, и авторы смогли предсказать, как быстро двигаются поверхности в разных частях уха.. Они также оценили угол между направлениями движения уха и направлением, куда летучая мышь направила свой биосонар, и обнаружили, что скорости и направления движения были выровнены, чтобы максимизировать создаваемые доплеровские сдвиги..
Чтобы показать, что сигналы с допплеровским сдвигом проникают в слуховой проход биомиметической ушной раковины и могут быть доступны летучим мышам, исследователи построили гибкую силиконовую копию уха летучей мыши, которую можно было заставить выполнять быстрые движения, потянув за ушную раковину. прикрепленная строка.
Последняя часть исследования заключалась в поиске возможных применений доплеровских сдвигов, генерируемых ухом.
«Мы смогли показать, что доплеровские сдвиги создают четкие закономерности с течением времени и частотой, которые можно использовать для указания направления цели», - сказал Мюллер. «В контексте биосонарных систем этих видов летучих мышей они обычно концентрируют и излучают большую часть своей ультразвуковой энергии в узком диапазоне частот. Однако для определения направления цели обычно удобно смотреть, как передаются несколько частот. на слух и получающийся в результате «спектральный цвет». Картины допплеровского сдвига, создаваемые движениями уха, могут дать этим видам летучих мышей возможность концентрировать свою энергию в узком диапазоне частот, но при этом они могут определять направление цели».