Une caractéristique emblématique de la combinaison de combat qui rend Batman facilement reconnaissable pourrait bientôt donner à la technologie de sonar incontournable du Dark Knight une mise à niveau du monde réel : des oreilles en forme de chauve-souris. Seulement, ces oreilles ne ressembleraient pas seulement à celles d’une chauve-souris, mais agiraient aussi comme elles.
Les bioingénieurs de l’Université d’Hiroshima s’interrogeant sur l’importance des mouvements des oreilles de chauve-souris dans l’écholocation ont créé un modèle mathématique reflétant le comportement et appris les mouvements optimaux des pennes qui pourraient amplifier la détection de la direction. Maintenant, ils prévoient de doter des sonars avec des oreilles de pseudo-chauve-souris mobiles pour un système de navigation tridimensionnel (3D) simple mais précis.
Leurs conclusions sont publiées dans la revue Biologie computationnelle PLOS octobre dernier.
Contrairement à de nombreux mammifères qui s’appuient sur des repères visuels pour donner un sens à leur environnement, les chauves-souris, qui sont principalement nocturnes, maîtrisent la cartographie spatiale grâce à des signaux auditifs. Ils perçoivent l’environnement 3D en émettant des impulsions ultrasonores depuis leur bouche ou leur nez et reçoivent les échos renvoyés avec leurs oreilles. Malgré cette conception simple de détection acoustique active d’un émetteur, leur nez ou leur bouche, et de deux récepteurs, leurs oreilles, ces merveilles de vol peuvent accomplir des tâches de navigation complexes dans l’obscurité, comme poursuivre des proies ou voler sans entrer en collision avec d’autres chauves-souris du groupe.
Pour localiser leur proie, les chauves-souris doivent connaître la distance et la direction de leur cible. Et l’évolution les a dotés de caractéristiques anatomiques clés pour les accomplir. Mais certaines espèces ont aussi imaginé des solutions comportementales pour affiner encore leur capacité à détecter la direction d’une source d’écho. L’un de ces comportements observés chez les chauves-souris à modulation de fréquence constante (CF-FM) est le mouvement des deux oreilles lors de l’écholocalisation. Ces espèces utilisent une combinaison d’appels CF et FM, les premiers sont des signaux qui conservent leur fréquence pendant toute leur durée tandis que la fréquence des seconds change avec le temps.
Bien que l’on pense que les mouvements de l’oreille aident les créatures à localiser l’angle d’élévation de la source sonore, leur importance n’a pas encore été pleinement comprise.
Crédit : Université d’Hiroshima
Rétro-ingénierie des oreilles de chauve-souris dans des machines de navigation maigres et méchantes
Le modèle de l’équipe de recherche japonaise de trois personnes reflète le comportement d’écoute active des grandes chauves-souris fer à cheval appartenant au groupe CF-FM. Ils ont ensuite utilisé l’apprentissage automatique supervisé pour exécuter des simulations exhaustives afin de découvrir le rôle des mouvements de l’oreille dans la détection de la direction et quels mouvements fonctionnent le mieux pour accomplir la tâche.
« Pour la perception spatiale 3D, il a été bien observé que certaines espèces de chauves-souris bougent les deux oreilles avec un mouvement de pas antiphase tout en écoutant les échos. Cependant, les mouvements réels des mouvements des deux oreilles semblent si complexes. Afin de résoudre théoriquement le problème approprié mouvements de l’oreille pour la détection de la direction de la source sonore 3D, nous avons effectué une simulation mathématique », a déclaré Yasufumi Yamada, auteur correspondant de l’étude et professeur adjoint à la Graduate School of Integrated Sciences for Life de HU.
« Pour expliquer plus en détail, les conditions de mouvement de l’oreille requises pour la détection de la direction sont théoriquement étudiées par des simulations exhaustives du pseudo-mouvement des oreilles, plutôt que des simulations des mouvements réels de l’oreille des chauves-souris. Dans cette simulation, nous avons supposé que l’interaural la différence de niveau de pression acoustique des échos contribue à la détection de la direction de la source sonore. »
Leur enquête a montré que seuls certains mouvements de l’oreille, à savoir la rotation sur trois axes, permettent une détection de direction précise et robuste. Il a également fourni un soutien solide au fait que le comportement observé chez les chauves-souris où elles bougent leurs oreilles l’une en face de l’autre les aide à détecter les sources sonores avec plus de précision.
Les chercheurs ont déclaré que leur approche mathématique et leurs découvertes pourraient être utilisées dans la conception de nouveaux systèmes de détection active.
« Nos recherches théoriques suggèrent qu’une directivité auditive simplement formée et des mouvements d’oreille simples et bien sélectionnés sont suffisants pour obtenir une détection de direction précise et robuste », a déclaré Yamada.
« À l’avenir, nous allons faire la démonstration d’un système de détection pratique équipé de deux oreilles pseudo-mobiles. Nous espérons créer un système de sonar simple pour les systèmes de navigation 3D inspiré des chauves-souris.
Plus d’information:
Takahiro Hiraga et al, Enquête théorique sur le comportement d’écoute active basée sur l’écholocation des chauves-souris CF-FM, Biologie computationnelle PLOS (2022). DOI : 10.1371/journal.pcbi.1009784