El profesor asociado de Virginia Tech, Rolf Mueller, ha descubierto que los pequeños movimientos de las orejas y narices de los murciélagos en herradura les ayudan a navegar en entornos naturales complejos. Esta investigación ha llevado al diseño de un cabezal de sonda robótico inspirado en murciélagos, que se muestra aquí conectado a un dron, con una 'hoja nasal' y 'orejas' móviles. Crédito:Logan Wallace / Virginia Tech
Humanos y la mayoría de los otros mamíferos, tienen solo cuatro músculos que unen sus orejas a su cabeza. Los murciélagos tienen más de 20, y los utilizan para ejecutar una serie precisa de contoneos, gira, y espasmos.
"En una décima de segundo, tres veces más rápido de lo que puedes parpadear, los murciélagos pueden cambiar la forma de sus orejas, "dijo Rolf Mueller, profesor asociado de ingeniería mecánica en Virginia Tech.
Mueller es el autor principal de un nuevo estudio, publicado en Cartas de revisión física , demostrando que estos rápidos, Los movimientos precisos son la base de la capacidad de los murciélagos para abrirse camino a través de su mundo.
La ecolocalización de los murciélagos es uno de los logros notables de la naturaleza en la navegación.
Estos ágiles Los mamíferos nocturnos emiten pulsos ultrasónicos por la boca o la nariz, dependiendo de la especie; las ondas rebotan en los objetos del entorno y son recogidas nuevamente por las orejas de los murciélagos. Las ondas reflejadas codifican datos sobre el entorno de los murciélagos, ayudándolos a navegar y cazar en la oscuridad, atestado, ambientes peligrosos.
Los investigadores aún no comprenden completamente cómo este sistema biosonar logra su extraordinaria precisión. El murciélago recibe solo dos señales entrantes, uno en cada oreja, y deben construir un mapa tridimensional lo suficientemente detallado como para permitirles atravesar bosques densos y realizar rutinariamente tareas sensoriales improbables:distinguir el aleteo de una polilla del aleteo de una hoja, por ejemplo.
Una pieza del rompecabezas es la intrincada estructura de las orejas de los murciélagos, que ayuda a dar forma a los pulsos entrantes. Para especies emisoras de nariz como los murciélagos de herradura que estudia Mueller, estructuras igualmente ornamentadas llamadas narices actúan como megáfonos para amplificar y dar forma a las señales salientes.
Ahora, Mueller ha descubierto que los movimientos de las orejas y las hojas de la nariz ayudan, también, al incluir información adicional en cada pulso ultrasónico que reciben los murciélagos.
Durante los últimos años, su grupo ha demostrado que estos movimientos rápidos alteran las ondas de ultrasonido que salen de la nariz y los ecos que entran en los oídos.
El nuevo estudio es el primero en demostrar que estos cambios enriquecen el contenido de información de las señales. En particular, Mueller y sus colegas demostraron que la capacidad de las orejas y las hojas de la nariz para adoptar diferentes conformaciones aumenta la capacidad de los murciélagos para localizar la fuente de las señales entrantes.
Para probar si el movimiento de las orejas y las hojas de la nariz de los murciélagos en herradura mejora su rendimiento de biosonar, el equipo generó dos modelos para cada estructura:un modelo computacional y una réplica impresa en 3D de la hoja de la nariz y un modelo computacional y una réplica física simplificada de la oreja.
Cada uno de los cuatro modelos se probó en cinco configuraciones diferentes, simulando los cambios de forma durante la emisión y recepción biosonar.
Los investigadores encontraron que cada una de las cinco configuraciones proporcionaba una cantidad sustancial de información acústica única. Cuanto más separadas estaban las dos configuraciones, cuanto mayor sea la diferencia en las señales, sugiriendo que estos cambios de forma juegan un papel significativo en el suministro de datos más detallados.
Para investigar si esta información adicional podría ser útil para la ecolocalización, los investigadores analizaron si la combinación de datos de las cinco configuraciones mejoraba la capacidad de un sensor para localizar la fuente de una onda de sonido.
Este cabezal de sonda robótico imita la dinámica de emisión y recepción del murciélago de herradura, que utiliza pequeños movimientos de los oídos y la hoja de la nariz para codificar información adicional en pulsos de sonda. Crédito:Logan Wallace / Virginia Tech
Lo hizo:la combinación de cinco configuraciones diferentes en lugar de promediar cinco señales de la misma configuración aumentó el número máximo de direcciones que el sensor podía distinguir en un factor de 100 a 1000, dependiendo del nivel de ruido.
El rendimiento mejorado fue constante en los cuatro modelos.
"Lo que encontré asombroso fue que el efecto fue muy fuerte, incluso con los modelos simplificados, "Dijo Mueller." No es necesario reproducir todos los detalles del murciélago real para ver el efecto del movimiento ".
Eso sugiere que reforzar la capacidad del sensor mediante el uso de una dinámica, El emisor y el receptor móviles deben poder traducirse a sistemas de ingeniería menos complejos que los murciélagos reales. mejorar la navegación de drones autónomos y la precisión de los dispositivos de reconocimiento de voz.
La resolución direccional es probablemente solo una función del movimiento rápido de las orejas y las hojas de la nariz, y los murciélagos necesitan algo más que la dirección de las señales entrantes para navegar a través de los matorrales y cazar en enjambres abarrotados.
Para investigar otros aspectos del rendimiento de biosonar, Mueller y su equipo están perfeccionando y actualizando sus modelos e incorporando nuevas especies de murciélagos en sus estudios.
"Siempre hay una próxima versión, " él dijo.
