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动物界的“柯大侠”们怎么练就的好功夫?
2018/07/24 | 作者:水下航行器信息技术重点实验室郝程鹏、闫晟 | 【 【打印】【关闭】

  在金庸先生的著名武侠小说《射雕英雄传》中,大侠郭靖的师傅、“江南七怪”之首柯镇恶,在战斗中负伤导致双目失明,成为一代盲侠。但随后他练就了听风辨形的好功夫,仅靠听力就可感知对手的招式,听辨高速来袭的细微暗器也不差毫厘,甚至可以远距离定位对手的位置和姿态,准确引导自己发出暗器打击对手要害部位,人送绰号“飞天蝙蝠”。

  我们知道,武侠小说中对武功的描写往往是出于作者的虚构和假想,在展现侠客们高超武艺的同时却常常违背了物理学规律,例如著名的“梯云纵轻功”。柯镇恶所表现出的声学信号处理能力和基于声学定位的武器导引能力,也的确大大地超越了我们常人的水平。

  那么在自然界中,是否真的有动物能像柯大侠一样,拥有强大的声学系统,利用声学信号发现和定位目标,并导引自己成功捕获猎物呢?

  

  首先让我们关注一种与人类非常亲近,而且听力非常灵敏的动物——家猫。

  家猫拥有强大的声学系统,能听到频率从25赫兹至78千赫兹的声学信号。两只耳朵可以在头部不动的情况下各自完成180度摆动,使家猫能对发声声源进行精确地方位估计。当它的一只耳朵转向猎物进行目标跟踪时,另一只耳朵仍可以处理其他方向的声源信号。

  家猫通过记忆各类熟悉的声学信号,例如主人的脚步声、喂食的声音、猎物发出的声音,来匹配和识别接收到的信号。在家猫进行捕猎时,依靠它的声学系统,在很远的距离就可以接收到猎物发出的声音,并对声音信号进行识别。确定为猎物后,家猫就会根据猎物的方位进行导引并悄悄地接近猎物。

  家猫的视觉系统同样发达,白天黑夜都能很好地感知目标,接近猎物后会凭借视觉系统的导引捕捉猎物。因此家猫的捕猎往往是依靠声学和视觉系统协同工作,进行复合导引。由于家猫只是利用声学系统被动接收猎物发出的声音信号,它使用的声学导引方式属于被动声学导引。

  

  

  自然界是否存在主动声学导引呢?答案是当然存在!不信你往下看。

  柯镇恶被人称为“飞天蝙蝠”,而蝙蝠属于翼手目,是唯一一类具有真正飞行能力的哺乳动物。和它们的飞行能力相比,大多数蝙蝠的回声定位功能同样十分神奇。

  蝙蝠通过喉咙发出高频声波,之后利用耳廓接收和处理各种回波信号,实现了复杂背景下的目标探测、识别和定位,并不断利用回声定位导引自己在飞行中避开障碍物和捕获猎物。为此,蝙蝠进化出了有利于发射和接收声学信号的特殊生理结构,如鼻叶、脸上的皮肤褶皱以及复杂的大耳廓。蝙蝠可以在1秒钟内接收和处理200多组回波信号,并通过改变飞行路线的方式来应对猎物的回波起伏。

  和家猫相比,蝙蝠具备完全基于声学系统导引的捕猎能力。由于蝙蝠在捕猎过程中通过不断发射声信号并接收目标的回波完成猎物的探测和定位,因此它使用的导引方式属于主动声学导引。

  

  讨论了空中飞行的蝙蝠,让我们再了解一下水生哺乳动物海豚的声学系统。

  海豚的声学系统非常优越,很多方面的性能甚至连当前最先进的人造水声工程设备都无法比拟。海豚利用声学系统不但可以实现个体间的水声通信,而且能在复杂的海洋噪声和混响环境中完成目标回声探测。

  海豚有很强的发射波束定向能力和很高的发声效率,能准确探测和定位距离100米外指甲盖大小的目标,并根据目标回波信号判断其物理属性,实现目标识别。当识别为猎物后,海豚通过持续的回波定位跟踪猎物,导引自己游向并最终捕捉到猎物。

  与蝙蝠类似,海豚利用水下声信号完成捕猎的方式也属于主动声学导引。目前国内外科学家们已经展开了对海豚复杂的波束控制机理、目标探测机理等方面的研究,这些研究的成果对于水声工程的发展有着重要的参考价值。

  自然界中的各类动物经过长期进化和优胜劣汰,很多动物的声学系统的性能已经达到高度优化。对动物的声学系统进行基础性研究可以促进仿生学技术的发展,并为声学信号处理领域提供创新思路。而对动物们千万年来所形成的声学导引策略进行深入地研究和学习,也会促进相关领域的研究工作不断进步。

  (文中图片均来源于互联网。)

 
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