Fledermausnasen inspirieren Robotersonar

Das „Nasenblatt“ einer Fledermaus kann je nach Frequenz auf unterschiedliche Weise Sonar aussenden.Rolf Müller

Wie genau schießt eine Fledermaus Sonarstrahlen aus der Nase?Rolf Müller, Computerphysiker an der Shandong-Universität in Jinan, China, hat die Höhlen Südostasiens durchkämmt, um das herauszufinden. “Wir betrachten verschiedene Arten, um ihre physischen Tricks zu verstehen“, sagt Müller, der modelliert, wie sich Fledermausnasen wie Antennen verhalten und wie ihre Ohren als Schalen funktionieren, um Schall zu sammeln. Die Arbeit ist nicht nur für Biophysiker wichtig, die verstehen wollen, wie Tiere komplexe Systeme entwickeln, sondern auch für Robotiker, die versuchen, neue Wege zu finden, um in Situationen zu navigieren, in denen Lichtsensoren nicht so gut funktionieren, auch nachts oder unter Wasser.

Es wurden nur wenige biophysikalische Studien an Fledermausnasen durchgeführt. Ein Forscher beugte das Nasenblatt einer Fledermaus — die komplexe Struktur, die ihre Nasenlöcher umgibt — zurück, um zu sehen, was passieren würde; Ein anderer Wissenschaftler verschmierte die empfindlichen Strukturen mit Vaseline. Beide Verfahren haben die Navigation der Fledermäuse durcheinander gebracht.

Um ein besseres Bild davon zu bekommen, was in einer Fledermausnase vor sich geht, machte Müller Röntgenaufnahmen des Gesichts einer Rufus-Hufeisenfledermaus (Rhinolophus rouxii) und erstellte Scans, um ein dreidimensionales Computermodell der Nasenhöhlen zu erstellen. Dann schoss er Schallwellen unterschiedlicher Frequenzen durch die modellierte Nase, um zu sehen, wo sie resonierten und wie sie vom Nasenblatt emittiert wurden.

Sonar eines Fledermaus-Noseleaf: Rot markiert die möglichen Schallquellen.Rolf Müller

Hochfrequente Töne, fand Müller, resonierten in einer Struktur im mittleren Nasenrücken, der Sella, und wurden als eng fokussierter Strahl vom Nasenblatt emittiert. Niederfrequente Töne hallten in einem Hohlraum namens Lanzette oben auf dem Nasenblatt wider. Furchen in der Lanzette erzeugten vier sekundäre Schallquellen, so dass Sonar von insgesamt sechs Quellen und nicht nur von den beiden Nasenlöchern emittiert wurde. „Es verbreitert den Strahl — Sie haben ein breiteres Array und können den Schall besser verteilen“, sagt Müller. Die Studie wurde in Physical Review E1 veröffentlicht.

Der breite Strahl könnte für die allgemeine Navigation nützlich sein, sagt Müller. Eine engere Sonaraufnahme wäre beispielsweise besser, um Beute zu jagen oder bestimmten Objekten auszuweichen.

Robo nose

Sonar wird seit langem als grundlegendes Navigationswerkzeug in Robotern verwendet. Ein Geräusch zu machen und mit einem Mikrofon auf seine Reflexion zu hören, kann helfen, Entfernungen zu Objekten und deren Positionen zu bestimmen.

Sonar ist im Allgemeinen langsamer zu interpretieren und weniger präzise als Computer Vision oder Lasersensoren. Aber das ist ein Problem, das Fledermäuse umgehen konnten, sagt Herbert Peremans, Robotiker an der Universität Antwerpen in Belgien. „Sie leiden eindeutig nicht unter diesem Problem. Sie fliegen in ziemlich komplizierten Umgebungen und haben Ziele, die versuchen, ihnen zu entkommen.“

Die andere Hälfte von Müllers Arbeit — Fledermausohren zu modellieren — hat Peremans bereits in seine Roboter eingebaut. Er hat zwei von der Fledermausarbeit inspirierte Nylon-Plastikohren im Abstand von mehreren Zentimetern am Kopf eines Roboters befestigt. Er versucht zu zeigen, dass er mit der richtigen Software diese Ohren verwenden kann, um Objekte genau zu lokalisieren. Der nächste Schritt wäre, die Sonarquelle mit einem Design zu verfeinern, das auf Müllers Modell Noseleafs basiert.

Fledermäuse aus der örtlichen Suppenküche holen.Rolf Müller

Peremans sagt, dass es viele mögliche Anwendungen in der Ultraschalldiagnostik oder für mobile Roboter unter ungewöhnlichen Bedingungen gibt. Es sollte also Nachfrage nach Müllers Ohren- und Nasenkatalog geben. Müller sagt, dass es tausende Fledermausarten gibt, die er nach und nach analysieren will.

Die Fledermäuse zu bekommen, kann der einfache Teil sein, fügt er hinzu. Er war kürzlich in einem Restaurant in Kambodscha, das Obst-Fledermaus-Suppe servierte; Er kaufte einen Kadaver und kehrte mit den Ohren nach China zurück. Er machte sich Sorgen, den Zollbeamten seine Fracht zu erklären, aber nachdem er ihnen die Ohren gezeigt hatte, sagten sie ihm, er solle sie nicht mit etwas so Trivialem belästigen.