動物界的「柯大俠」們怎麼練就的好功夫？

在金庸先生的著名武俠小說《射鵰英雄傳》中，大俠郭靖的師傅、「江南七怪」之首柯鎮惡，在戰鬥中負傷導致雙目失明。但隨後他練就了聽風辨形的好功夫，僅靠聽力就可感知對手的招式，聽辨高速來襲的細微暗器也不差毫釐，甚至可以遠距離定位對手的位置和姿態，準確引導自己發出暗器打擊對手要害部位，人送綽號「飛天蝙蝠」。

我們知道，武俠小說中對武功的描寫往往是出於作者的虛構和假想，在展現俠客們高超武藝的同時卻常常違背了物理學規律，例如著名的「梯雲縱輕功」。柯鎮惡所表現出的聲學信號處理能力和基於聲學定位的武器導引能力，也的確大大地超越了我們常人的水平。

那麼在自然界中，是否真的有動物能像柯大俠一樣，擁有強大的聲學系統，利用聲學信號發現和定位目標，並導引自己成功捕獲獵物呢？

首先讓我們關注一種與人類非常親近，而且聽力非常靈敏的動物——家貓。

家貓擁有強大的聲學系統，能聽到頻率從25赫茲至78千赫茲的聲學信號。兩隻耳朵可以在頭部不動的情況下各自完成180度擺動，使家貓能對發聲聲源進行精確的方位估計。當它的一隻耳朵轉向獵物進行目標跟蹤時，另一隻耳朵仍可以處理其他方向的聲源信號。

家貓通過記憶各類熟悉的聲學信號，例如主人的腳步聲、餵食的聲音、獵物發出的聲音，來匹配和識別接收到的信號。在家貓進行捕獵時，依靠它的聲學系統，在很遠的距離就可以接收到獵物發出的聲音，並對聲音信號進行識別。確定為獵物後，家貓就會根據獵物的方位進行導引並悄悄地接近獵物。

家貓的視覺系統同樣發達，白天黑夜都能很好地感知目標，接近獵物後會憑藉視覺系統的導引捕捉獵物。因此家貓的捕獵往往是依靠聲學和視覺系統協同工作，進行複合導引。由於家貓只是利用聲學系統被動接收獵物發出的聲音信號，它使用的聲學導引方式屬於被動聲學導引。

自然界是否存在主動聲學導引呢？答案是當然存在！不信你往下看。

柯鎮惡被人稱為「飛天蝙蝠」，而蝙蝠屬於翼手目，是唯一一類具有真正飛行能力的哺乳動物。和它們的飛行能力相比，大多數蝙蝠的回聲定位功能同樣十分神奇。

蝙蝠通過喉嚨發出高頻聲波，之後利用耳廓接收和處理各種回波信號，實現了複雜背景下的目標探測、識別和定位，並不斷利用回聲定位導引自己在飛行中避開障礙物和捕獲獵物。為此，蝙蝠進化出了有利於發射和接收聲學信號的特殊生理結構，如鼻葉、臉上的皮膚褶皺以及複雜的大耳廓。蝙蝠可以在1秒鐘內接收和處理200多組回波信號，並通過改變飛行路線的方式來應對獵物的回波起伏。

和家貓相比，蝙蝠具備完全基於聲學系統導引的捕獵能力。由於蝙蝠在捕獵過程中通過不斷發射聲信號並接收目標的回波完成獵物的探測和定位，因此它使用的導引方式屬於主動聲學導引。

討論了空中飛行的蝙蝠，讓我們再了解一下水生哺乳動物海豚的聲學系統。

海豚的聲學系統非常優越，很多方面的性能甚至連當前最先進的人造水聲工程設備都無法比擬。海豚利用聲學系統不但可以實現個體間的水聲通信，而且能在複雜的海洋雜訊和混響環境中完成目標回聲探測。

海豚有很強的發射波束定向能力和很高的發聲效率，能準確探測和定位距離100米外指甲蓋大小的目標，並根據目標回波信號判斷其物理屬性，實現目標識別。當識別為獵物後，海豚通過持續的回波定位跟蹤獵物，導引自己游向並最終捕捉到獵物。

與蝙蝠類似，海豚利用水下聲信號完成捕獵的方式也屬於主動聲學導引。目前國內外科學家已經展開了對海豚複雜的波束控制機理、目標探測機理等方面的研究，這些研究的成果對於水聲工程的發展有著重要的參考價值。

自然界中的各類動物經過長期進化和優勝劣汰，很多動物的聲學系統的性能已經達到高度優化。對動物的聲學系統進行基礎性研究可以促進仿生學技術的發展，並為聲學信號處理領域提供創新思路。而對動物們千萬年來所形成的聲學導引策略進行深入的研究和學習，也會促進相關領域的研究工作不斷進步。

來源：中國科學院聲學研究所

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