Если вы когда-либо разбивали лагерь у пруда, вы знаете, что лягушки шумят по ночам; но чего вы, возможно, не знаете, так это того, насколько функциональны и отрегулированы их припевы. Лягушки общаются с помощью звука, и среди их шума есть внутренняя организованная система, которая позволяет информации передаваться более четко, а также позволяет коллективным хорам и времени для отдыха. Исследователи из Университета Осаки и Университета Цукуба стремились использовать эту земноводную проницательность для математических и технологических целей.
Команда изучила модели криков самцов японских древесных лягушек в разные промежутки времени. Для этого они поместили трех лягушек в отдельные внутренние клетки и записали их вокальное взаимодействие. Они обнаружили, что лягушки избегают накладывающегося кваканья и коллективно переключаются между криком и тишиной. Затем исследователи создали математическую модель, чтобы адаптировать акустические учения лягушек к технологической выгоде, поскольку такие модели аналогичны тем, которые ценятся в сетях. О результатах сообщается в журнале Royal Society Open Science..
«Мы обнаружили, что соседние лягушки избегают временного перекрытия, что позволяет услышать отдельные голоса», - объясняет соавтор исследования Даичи Коминами. «Таким же образом соседние узлы в сенсорной сети должны чередовать время передачи данных, чтобы пакеты данных не конфликтовали».
В наблюдаемых трио лягушек также было время чередования коллективного молчания и хора. Избегание перекрытий было последовательным (детерминированным), в то время как последние коллективные вызовы были более разнообразными (стохастическими). Еще одна полезность шаблона заключалась в том, что он разумно позволяет лягушкам отдыхать от их зова, который требует много энергии.
Исследователи разработали математическую модель, включающую основные модели взаимодействия лягушек и адаптирующую их к фазовому формату, используемому для технических средств.
«Мы смоделировали крики и состояния молчания детерминированным образом, - говорит ведущий автор Иккью Айхара, - а переходы к ним и обратно смоделировали стохастическим образом. Эти модели качественно воспроизвели крики настоящих лягушек. а затем помогли разработать автономные распределенные системы связи».
Такие системы должны умело регулировать отдачу, активность и отдых. Поэтому в качестве третьей части исследования исследователи использовали модель для управления трафиком данных в сети беспроводных датчиков. Эти сети являются ключевым компонентом Интернета вещей, поскольку их рассредоточенные сенсорные узлы измеряют и передают различные характеристики окружающей среды. Затем, путем сложной координации, собранные данные передаются в центральную систему.
Они обнаружили, что краткосрочное чередование особенно эффективно для предотвращения коллизий пакетов данных. Между тем, циклические и коллективные переходы в длительном временном масштабе давали надежду на регулирование энергопотребления.
«Это исследование имеет двойную пользу, - говорит соавтор Масаюки Мурата. «Это приведет как к большему количеству биологических знаний в понимании хора лягушек, так и к большей технологической эффективности беспроводных сенсорных сетей».