大自然的声纳：科学家揭示日本鲎如何感知移动物体

与大多数依靠视觉感知的动物不同，蝙蝠通过回声定位来导航和定位猎物或障碍物。通过发出声音并将其与反射的回声进行比较，蝙蝠可以“可视化”环境中的运动。当声波遇到移动的物体时，它们可能会发生频率的多普勒频移或延迟等变化，蝙蝠可以感知到这些变化。然而，目前尚不清楚蝙蝠依靠哪些声学特征来检测运动物体

日本鲎（Rhinolophus ferromequinum nippon）发出的超声波脉冲的特征是先有恒定频率（CF）成分，然后是调频（FM）成分。这些蝙蝠利用回声延迟和多普勒频移的组合来感知环境

在iScience上发表的一项研究中，Hiryu Shizuko教授和她的团队，包括Doshisha大学一年级博士生Soshi Yoshida先生和日本富山大学的Kazuma Hase博士，揭示了日本马蹄蝙蝠感知移动物体时的声学特征

Yoshida先生在解释这项研究背后的动机时解释道，“研究蝙蝠的声纳策略，利用声学传感，可以深入了解声音的感知，并具有超声传感技术的潜在应用。”

通过多普勒频移和回声延迟的变化来区分来自任何接近物体的回声。CF–FM回声定位蝙蝠对两者都很敏感，因此作者假设它们同时使用这两种信息，或者使用“延迟变化”和“多普勒频移”信息中的一种

为了验证他们的假设，研究人员创造了添加了回声延迟和多普勒频移的人造声波，以类似蝙蝠在物体运动时遇到的声学信号。然后，他们向蝙蝠播放这些模拟声音，并观察蝙蝠的反应。为了模拟虚拟接近的物体，研究人员使用放置在1米外的麦克风记录了栖息蝙蝠发出的声音

经过包括大约1ms延迟的实时信号处理后，这些声音通过麦克风旁边的扬声器回放给栖息的蝙蝠。最初，蝙蝠被暴露在代表静止虚拟物体的声波中。然后，研究人员改变了回声延迟，以模拟1.7–1.2米外的物体向蝙蝠靠近

此外，他们通过外差调整了体模回波的频率偏移，以结合多普勒偏移的影响

当操纵多普勒频移和回声延迟时，研究小组发现蝙蝠表现出类似于真实物体向它们移动时的发声变化和躲避行为。具体而言，CF分量持续时间减少，FM带宽增加

当只处理回声延迟时，没有一只蝙蝠表现出发出的声音或逃跑行为的明显变化。然而，当仅引入正多普勒频移时，九分之七的蝙蝠表现出起飞行为，它们的回声定位脉冲的变化与真实物体接近它们时相似。这表明蝙蝠在栖息时主要依靠多普勒频移而不是回声延迟的变化来检测运动物体

Hiryu教授解释道：“只有多普勒频移，而不是回声延迟的时间变化，才起到了提示作用。速度是直接感知的，而不是视觉中位置的时间变化。蝙蝠利用声学传感，实现了即时威胁规避。”

他们的发现不仅加深了我们对自然界声学传感的理解，而且有可能推动机器人传感器的发展。例如，在杂乱的环境中，由于目标和无关物体的声波重叠，使用回声延迟识别移动物体可能具有挑战性。在这种情况下，基于多普勒频移的传感器可能更有效

Yoshida先生总结道：“从蝙蝠身上获得的对超声波传感的理解可能会导致超声波传感器的发展。例如，如果能在这项研究的基础上开发出一种强大的运动检测传感器，那就太好了。”