一群蝙蝠飞,怎样防止频率干扰

ICT 2018年05月21日

日本同志社大学生命医科学部飞龙志津子教授与研究生长谷一磨等人组成的研发小组发现,蝙蝠群体在飞行时会相互调节各自发出的超声波频率以避免干扰。

蝙蝠群体在飞行时,尽管其他同伴发出的回声定位信号会混杂在一起,但即便是在又黑又窄的洞窟等飞行,也不会撞上其他同伴。蝙蝠在这种情况下是如何避免各自发出的信号相互干扰的,此前人们并没有搞清楚。

此次研发小组新开发了一款系统,通过为多只蝙蝠佩戴遥测麦克风,对交错飞行的每只蝙蝠发出的回声定位信号进行分离并测量。最终发现,蝙蝠为了掌握空间情况而发射回声定位信号时,会相互调节发出的超声波频率以避免互相干扰。

此次的研究成果已于2018年5月3日发表在《Communications Biology》上。

在本研究中,研发小组开发出了对群体飞行时每只蝙蝠发出的回声定位信号进行分离并测量的系统,并为4只蝙蝠佩戴了遥测麦克风(图1A),成功分析了每只蝙蝠发出的回声定位信号。研究发现,在单独飞行时,每只蝙蝠使用相似频带的终端频率,而4只蝙蝠一起飞行时,则呈现出略微扩大终端频率(图1B)差异的倾向(图2)。而且,蝙蝠在群体飞行时有意降低了个体之间的声音相似度(图3)。

另外,研发小组还制作了模仿蝙蝠发出的超声波调频信号,通过调节其特征并计算相似度,调查了哪种特征对降低信号之间相似度的贡献最大。调查发现,与其他特征(开始频率、时长等)相比,改变最终频率最能有效降低信号之间的相似度(图4)。蝙蝠利用的频率降低型调制信号的抗干扰能力较强,蝙蝠会改变能有效降低回声定位信号相似度的终端频率,以避免群体飞行时信号的相互干扰。

<参考图>

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图1

(A)佩戴遥测麦克风的亚洲长翼蝠(Miniopterus fuliginosus)。(B)利用遥测麦克风录制的亚洲长翼蝠飞行过程中发出的回声定位信号。发出了基本频率由约100KHz降至45KHz的调频型超声波,最低的频率称为终端频率。

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图2

群体飞行中的蝙蝠的飞行轨迹(上图)与发出的回声定位信号的终端频率的时间变化(下图)。可以看出,(左)单独飞行时,同一组的4只蝙蝠使用相似的终端频率,(右)4只蝙蝠同时飞行时,每只蝙蝠进行调节以避免终端频率重叠。

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图3

(A)同时飞行的4只蝙蝠发出的回声定位信号频谱图代表示例。图中白色箭头表示各回声定位信号的终端频率。(B)群体飞行时个体之间的信号相似度的变化。在单独飞行时和群体飞行时,个体之间的信号相似度存在显著差异。群体飞行时,各个蝙蝠利用不同的超声波以避免信号干扰。

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图4

蝙蝠发出的脉冲信号之间的相似度评价。在模拟亚洲长翼蝠使用的调频型信号而创建的2个信号中,研发小组改变其中一个信号的特征,计算了信号之间的相似度。最终发现,操作终端频率时,仅2%的变化就能使信号之间的相似度减少一半(A)。而其他特性(开始频率(B)、时长(C)等)则需要大约8%的变化。也就是说,改变终端频率时,能最有效地降低信号之间的相似度。实际进行群体飞行的亚洲长翼蝠也是通过改变终端频率来降低信号相似度的(图3)。

文 客观日本编辑部

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