Ein ikonisches Merkmal des Batsuits, das Batman leicht erkennbar macht, könnte der beliebten Sonartechnologie des Dunklen Ritters bald ein echtes Upgrade verleihen – fledermausähnliche Ohren. Nur würden diese Ohren nicht nur wie die einer Fledermaus aussehen, sondern sich auch so verhalten.
Bioingenieure der Universität Hiroshima, die sich über die Bedeutung der Bewegungen von Fledermausohren bei der Echoortung wunderten, erstellten ein mathematisches Modell, das das Verhalten widerspiegelt, und lernten die optimalen Ohrmuschelbewegungen, die die Richtungserkennung verstärken könnten. Jetzt planen sie, Sonare mit beweglichen Pseudo-Fledermausohren für ein dreidimensionales (3D) Navigationssystem einzusetzen, das einfach, aber präzise ist.
Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht PLOS Computational Biology letzten Oktober.
Im Gegensatz zu vielen Säugetieren, die sich auf visuelle Hinweise verlassen, um ihre Umgebung zu verstehen, beherrschen Fledermäuse, die hauptsächlich nachtaktiv sind, die räumliche Kartierung durch auditive Signale. Sie nehmen die 3D-Umgebung wahr, indem sie Ultraschallimpulse aus ihrem Mund oder ihrer Nase aussenden und die zurückkommenden Echos mit ihren Ohren empfangen. Trotz dieses einfachen aktiven akustischen Sensordesigns aus einem Sender, ihrer Nase oder ihrem Mund, und zwei Empfängern, ihren Ohren, können diese Flugwunder komplexe Navigationsaufgaben im Dunkeln erledigen, wie Beute verfolgen oder herumfliegen, ohne mit anderen Fledermäusen in der Gruppe zu kollidieren.
Um ihre Beute zu lokalisieren, müssen Fledermäuse die Entfernung und Richtung ihres Ziels kennen. Und die Evolution hat sie mit wichtigen anatomischen Merkmalen ausgestattet, um dies zu erreichen. Aber bestimmte Arten haben auch Verhaltenslösungen entwickelt, um ihre Fähigkeit, die Richtung einer Echoquelle zu erkennen, weiter zu verfeinern. Eines dieser Verhaltensweisen, das bei Fledermäusen mit konstanter Frequenz-Frequenz-Modulation (CF-FM) beobachtet wird, ist die Bewegung beider Ohren bei der Echoortung. Diese Arten verwenden eine Kombination aus CF- und FM-Rufen. Erstere sind Signale, die ihre Frequenz während ihrer gesamten Dauer beibehalten, während sich die Frequenz der letzteren im Laufe der Zeit ändert.
Obwohl angenommen wird, dass die Ohrbewegungen den Kreaturen dabei helfen, den Höhenwinkel der Schallquelle zu lokalisieren, muss ihre Bedeutung noch vollständig verstanden werden.
Bildnachweis: Universität Hiroshima
Reverse Engineering Fledermausohren in schlanke, gemeine Navigationsmaschinen
Das Modell des dreiköpfigen japanischen Forscherteams spiegelt das aktive Hörverhalten der Großen Hufeisennasen der CF-FM-Gruppe wider. Anschließend nutzten sie überwachtes maschinelles Lernen, um umfassende Simulationen durchzuführen, um herauszufinden, welche Rolle Ohrbewegungen bei der Richtungserkennung spielen und welche Bewegungen am besten zur Erfüllung der Aufgabe geeignet sind.
„Für die räumliche 3D-Wahrnehmung wurde bei bestimmten Fledermausarten gut beobachtet, dass sie beide Ohren mit einer gegenphasigen Tonhöhenbewegung bewegen, während sie den Echos lauschen. Die tatsächlichen Bewegungen der Bewegungen beider Ohren sehen jedoch so komplex aus. Um das Passende theoretisch zu lösen Ohrbewegungen für die Richtungserkennung von 3D-Schallquellen haben wir eine mathematische Simulation durchgeführt“, sagte Yasufumi Yamada, korrespondierender Autor der Studie und Assistenzprofessor an der Graduate School of Integrated Sciences for Life der HU.
„Um es genauer zu erklären, die für die Richtungserkennung erforderlichen Ohrbewegungsbedingungen werden theoretisch durch umfassende Simulationen der Pseudobewegung der Ohren untersucht, anstatt durch Simulationen der tatsächlichen Ohrbewegungen von Fledermäusen. In dieser Simulation gingen wir davon aus, dass die interaurale Schalldruckpegeldifferenz von Echos trägt zur Erkennung der Schallquellenrichtung bei.“
Ihre Untersuchung zeigte, dass nur bestimmte Ohrbewegungen, nämlich die Drehung um drei Achsen, eine genaue und robuste Richtungserkennung ermöglichen. Es lieferte auch eine starke Unterstützung dafür, dass das bei Fledermäusen beobachtete Verhalten, bei dem sie ihre Ohren gegeneinander bewegen, ihnen hilft, Schallquellen genauer zu erkennen.
Die Forscher sagten, dass ihr mathematischer Ansatz und ihre Ergebnisse bei der Entwicklung neuer aktiver Sensorsysteme verwendet werden könnten.
„Unsere theoretischen Untersuchungen legen nahe, dass eine einfach geformte Hörrichtung und gut ausgewählte unkomplizierte Ohrbewegungen ausreichen, um eine präzise und robuste Richtungserkennung zu erreichen“, sagte Yamada.
„In Zukunft werden wir ein praktisches Sensorsystem demonstrieren, das mit zwei sich pseudobewegenden Ohren ausgestattet ist. Wir hoffen, ein einfaches Sonarsystem für 3D-Navigationssysteme zu schaffen, das von Fledermäusen inspiriert ist.“
Mehr Informationen:
Takahiro Hiraga et al, Theoretische Untersuchung des aktiven Hörverhaltens basierend auf der Echoortung von CF-FM-Fledermäusen, PLOS Computational Biology (2022). DOI: 10.1371/journal.pcbi.1009784