2019-06-05 16:29:01
蝙蝠耳朵里有救护车

任何被高速救护车经过的人都经历了一种称为多普勒频移的物理效应:当救护车向听众移动时,它的运动会压缩警报器的声波并提高声音音高。当救护车远离收听者时,声波扩散并且音调降低。戴着眼罩的听众可以使用这种多普勒频移模式来跟踪救护车的运动。

在美国国家科学院院刊发表的一篇论文中,作者,工程学院机械工程教授罗尔夫·穆勒和他的博士生尹小燕表示,蝙蝠的耳朵带有“内置在救护车“创造相同的物理效果。 Yin和Mueller认为对蝙蝠生物声学中耳朵产生的多普勒频移的研究可以产生新的感觉原理,可以实现小而强大的传感器。这种类型的传感器的一个例子是用于可以在密集的叶子中操作的无人机或在复杂的水下结构附近导航的自主水下载具。

“动物足够快地移动耳朵,以便撞击耳朵的声波通过耳朵表面的运动而转变,并转移到更高或更低的频率,”穆勒说。 “实际上,所研究的蝙蝠物种(马蹄蝙蝠和旧世界圆叶蝙蝠)可以快速移动它们的耳朵,可以产生大约350赫兹的多普勒频移。这比动物被显示的最小多普勒频移大约七倍。能够发现。“

众所周知,多普勒频移在蝙蝠的生物声学系统中起着重要作用,例如Mueller和Yin研究的物种。蝙蝠具有令人羡慕的能够在非常茂密的植被中捕杀的能力,但要实现这一目标,它们必须解决如何区分蛾(它们的首选猎物)与围绕它的数百片叶子的问题。

“这两种类型的蝙蝠提出的解决方案是调整由猎物的机翼拍动产生的多普勒频移,”穆勒解释说。 “这些'良好的多普勒频移'作为一种独特的识别特征,可以将猎物与静态干扰物分开,例如树叶中的叶子。”

研究人员很早就意识到,蝙蝠自身的飞行运动也会产生多普勒频移,这会影响猎物引起的多普勒频移。在20世纪60年代后期,当发现马蹄蝙蝠减少其发射频率减少了一个精确控制的量以准确消除由蝙蝠的飞行速度引起的任何“不良多普勒频移”时,发现了这个难题的解决方案。

“自从这些开创性的发现以来,科学界普遍认为,多普勒在这些动物的生物声学系统中的作用已被完全理解,”穆勒说。 “由于猎物运动引起的多普勒频移是'良好的多普勒频移',动物的整个听觉系统被优化以检测,而由于蝙蝠自身的飞行运动导致的多普勒频移是”不良的多普勒频移“,动物通过反馈控制消除他们的排放。“

虽然穆勒和尹在20世纪60年代早期的文献中发现了蝙蝠可能会用自己的耳朵运动产生多普勒效应的猜测,但这个想法从未跟进实验工作。

Mueller和Yin进行的工作使用基于高速摄像机的立体视觉仔细测量了耳朵表面的运动,并且作者能够预测表面在耳朵的不同部分移动的速度。他们还估计了耳朵运动方向与蝙蝠有生物识别指向的方向之间的角度,并发现运动速度和方向是对齐的,以最大化产生的多普勒频移。

为了证明多普勒频移信号进入仿生耳廓的耳道并且蝙蝠可以进入,研究人员建立了一个灵活的蝙蝠耳朵硅胶复制品,可以通过拉动连接的绳子来执行快速运动。

研究的最后一部分是找到耳朵产生的多普勒频移的可能用途。

“我们能够证明多普勒频移在时间和频率上产生了不同的模式,可以用来指示目标的方向,”穆勒说。 “在这些蝙蝠物种的生物声学系统的背景下,它们通常在窄频带中集中并发射它们的大部分超声能量。然而,为了告知目标的方向,通常可以方便地查看多个频率如何传输 通过耳朵和由此产生的“光谱颜色”。由耳朵运动产生的多普勒频移模式可以让这些蝙蝠物种选择将其能量集中在一个狭窄的频带中,同时也能够分辨出目标方向。“

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