數學模型與仿生應用：從蛙聲一片到物聯網

如果你曾在鄉間水塘附近居住過，夏日每到夜晚的時候，一定聽過屋外蛙聲一片。但你想過沒有，青蛙們為何鳴叫？生物學家認為吵人的呱呱呱是為了吸引配偶和宣示領地。

那麼問題來了，合乎邏輯的想法是，蛙鳴的時候，存在著一個可調節的聲音反饋系統。否則的話，雄蛙同時鳴叫，雌蛙根本聽不清也分辨不出誰是誰。大阪大學和筑波大學的研究人員試圖利用兩棲動物的這種敏銳性，來推動數學和技術的發展。

該團隊研究了雄性日本樹蛙的鳴叫模式。他們在籠子里養了三隻青蛙，然後記錄下它們通過聲音互動的模式。他們發現青蛙們會努力避免同時呱呱，並在「合唱」與「沉默」之間協同切換。研究人員隨後創建了數學模型，以挖掘其中的仿生學價值，因為集體蛙鳴模式類似於物聯網的響應模式。研究結果發表在《皇家學會開放科學》雜誌上。

「我們發現鄰近的青蛙錯開了鳴叫時間，能夠保證自己的呱呱聲被其他對象清晰地接收到。」論文的合作者Daichi Kominami解釋說，「以同樣的方式，感測器網路中的相鄰節點需要錯開數據傳輸的時間，避免數據包傳輸發生衝突。」

在青蛙三重奏中，存在同時閉嘴和合唱的交替過程。避免時間重疊是一致的(確定性的)需求，而合唱則體現出多樣化(隨機)的特徵。該模式的另一個好處是，青蛙在長時間鳴叫時，可以抽空休息好節約體力。

研究人員隨後開發了一個數學模型，該模型結合了青蛙主要的聲音交互模式，並使其可用於仿生學技術。

主要作者Ikkyu Aihara說：「我們以固定的方式模擬了蛙鳴和沉默的狀態。同時以隨機方式模擬了過渡態。模型定性地再現了真實青蛙的呼叫模式，有助於設計自治分散式通信系統。」

這種系統必須巧妙地設計發送，接收，活動和停止之間的轉換節奏。因此，作為論文的第三部分，研究人員利用模型進行無線感測器網路中的數據流量管理。這些網路是物聯網中的關鍵組成部分，因為它們分散的感測器節點測量和傳達不同環境的特徵信息。然後，經過複雜的協調，將收集到的數據饋送到中央系統。

他們發現短時間尺度的交替在避免數據包衝突方面特別有效。同時，長時間尺度的循環和集體轉換為節能減耗提供了方向。

「這項研究有雙重好處，」共同作者Masurauki Murata說。「先是讓我們了解了青蛙的生物學知識，又提高了無線感測器網路的技術效率。」

本文譯自 phys，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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