Математика объясняет загадочное движение ушей летучих мышей, открывая путь к улучшению сонарных технологий

Биоинженеры из Хиросимского университета, изучавшие значение движений ушей летучих мышей в эхолокации, создали математическую модель этого поведения. Они определили оптимальные движения ушных раковин (пинн), которые могут усилить обнаружение направления звука. Теперь они планируют оснастить сонары подвижными псевдо-ушами для создания простой, но точной трехмерной (3D) навигационной системы.

Исследование опубликовано в журнале PLOS Computational Biology.

Летучие мыши, в основном ведущие ночной образ жизни, осваивают пространственное картирование с помощью слуховых сигналов. Они воспринимают 3D-окружение, испуская ультразвуковые импульсы изо рта или носа и улавливая возвращающиеся эхо ушами. Несмотря на простую конструкцию активного акустического восприятия (один передатчик и два приемника), эти существа выполняют сложные задачи навигации в темноте.

Для локации добычи летучим мышам необходимо знать расстояние и направление до цели. Эволюция снабдила их ключевыми анатомическими особенностями, но некоторые виды также выработали поведенческие решения для уточнения обнаружения направления источника эха. Одно из таких наблюдаемых у летучих мышей с постоянной частотой–частотной модуляцией (CF-FM) — движение обоих ушей во время эхолокации. Эти виды используют комбинацию CF- и FM-сигналов.

Хотя считается, что движения ушей помогают этим существам в локализации угла места источника звука, их важность еще не до конца понята.

Реверс-инжиниринг ушей летучих мышей

Модель японской исследовательской группы из трех человек имитирует активное слуховое поведение больших подковоносов, относящихся к группе CF-FM. Они использовали обучение с учителем (supervised machine learning) для проведения исчерпывающих симуляций, чтобы выяснить роль движений ушей в обнаружении направления и определить, какие движения работают лучше всего.

«Для 3D-пространственного восприятия хорошо известно, что определенные виды летучих мышей двигают обоими ушами в противофазном движении по тангажу, слушая эхо. Однако фактические движения обоих ушей выглядят очень сложными. Чтобы теоретически решить вопрос о подходящих движениях ушей для обнаружения направления источника звука в 3D, мы провели математическое моделирование», — сказал Ясуфуми Ямада, автор-корреспондент исследования.

Их исследование показало, что только определенные движения ушей, а именно вращение по трем осям, позволяют осуществлять точное и надежное обнаружение направления. Оно также предоставило веские доказательства того, что наблюдаемое у летучих мышей поведение, при котором они двигают ушами противоположно друг другу, помогает им точнее обнаруживать источники звука.

Исследователи заявили, что их математический подход и выводы могут быть использованы при проектировании новых систем активного зондирования.

«Наши теоретические исследования показывают, что просто сформированная направленность слуха и хорошо подобранные несложные движения ушей достаточны для достижения точного и надежного обнаружения направления», — сказал Ямада.

«В будущем мы собираемся продемонстрировать практическую систему зондирования, оснащенную двумя псевдо-движущимися ушами. Мы надеемся создать простую сонарную систему для 3D-навигационных систем, вдохновленную летучими мышами».