@ 2019.02.10 , 11:00

数学模型与仿生应用:从蛙声一片到物联网

如果你曾在乡间水塘附近居住过,夏日每到夜晚的时候,一定听过屋外蛙声一片。但你想过没有,青蛙们为何鸣叫?生物学家认为吵人的呱呱呱是为了吸引配偶和宣示领地。

那么问题来了,合乎逻辑的想法是,蛙鸣的时候,存在着一个可调节的声音反馈系统。否则的话,雄蛙同时鸣叫,雌蛙根本听不清也分辨不出谁是谁。大阪大学和筑波大学的研究人员试图利用两栖动物的这种敏锐性,来推动数学和技术的发展。

该团队研究了雄性日本树蛙的鸣叫模式。他们在笼子里养了三只青蛙,然后记录下它们通过声音互动的模式。他们发现青蛙们会努力避免同时呱呱,并在“合唱”与“沉默”之间协同切换。研究人员随后创建了数学模型,以挖掘其中的仿生学价值,因为集体蛙鸣模式类似于物联网的响应模式。研究结果发表在《皇家学会开放科学》杂志上。

“我们发现邻近的青蛙错开了鸣叫时间,能够保证自己的呱呱声被其他对象清晰地接收到。”论文的合作者Daichi Kominami解释说,“以同样的方式,传感器网络中的相邻节点需要错开数据传输的时间,避免数据包传输发生冲突。”

在青蛙三重奏中,存在同时闭嘴和合唱的交替过程。避免时间重叠是一致的(确定性的)需求,而合唱则体现出多样化(随机)的特征。该模式的另一个好处是,青蛙在长时间鸣叫时,可以抽空休息好节约体力。

研究人员随后开发了一个数学模型,该模型结合了青蛙主要的声音交互模式,并使其可用于仿生学技术。

主要作者Ikkyu Aihara说:“我们以固定的方式模拟了蛙鸣和沉默的状态。同时以随机方式模拟了过渡态。模型定性地再现了真实青蛙的呼叫模式,有助于设计自治分布式通信系统。”

这种系统必须巧妙地设计发送,接收,活动和停止之间的转换节奏。因此,作为论文的第三部分,研究人员利用模型进行无线传感器网络中的数据流量管理。这些网络是物联网中的关键组成部分,因为它们分散的传感器节点测量和传达不同环境的特征信息。然后,经过复杂的协调,将收集到的数据馈送到中央系统。

他们发现短时间尺度的交替在避免数据包冲突方面特别有效。同时,长时间尺度的循环和集体转换为节能减耗提供了方向。

“这项研究有双重好处,”共同作者Masayuki Murata说。“先是让我们了解了青蛙的生物学知识,又提高了无线传感器网络的技术效率。”

本文译自 phys,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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