圖1.一只雄性日本樹蛙產(chǎn)生了本項(xiàng)研究中所研究的鳴叫類型。

如果您曾經(jīng)在池塘旁露營過，那您就會(huì)知道青蛙會(huì)在晚上拍球。但是您可能不知道他們的合唱團(tuán)實(shí)際上是如何發(fā)揮功能和對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)的。青蛙通過聲音進(jìn)行交流，在騷動(dòng)中是內(nèi)部精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以使信息更清晰地通過，同時(shí)也可以使集體合唱和休息時(shí)間。大阪大學(xué)和筑波大學(xué)的研究人員試圖利用這種兩棲敏銳度實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)和技術(shù)目標(biāo)。

研究小組研究了不同時(shí)間間隔內(nèi)雄性日本樹蛙的鳴叫模式。為此，他們將三只青蛙分別放在籠子里，并記錄了它們的聲音相互作用。他們發(fā)現(xiàn)青蛙既避免了重疊的吱吱聲，又在呼喊和沉默之間集體切換。然后，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，以使青蛙的聲學(xué)教學(xué)適應(yīng)技術(shù)利益，因?yàn)檫@種模式類似于網(wǎng)絡(luò)中重視的模式。該發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《皇家學(xué)會(huì)開放科學(xué)》雜志上。

該研究的合著者大知小南解釋說：“我們發(fā)現(xiàn)相鄰的青蛙避免了時(shí)間上的重疊，這為清晰地聽到個(gè)人聲音提供了路徑�！� “以同樣的方式，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的相鄰節(jié)點(diǎn)需要改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序，以使數(shù)據(jù)包不會(huì)發(fā)生沖突�！�

在觀察到的青蛙三重奏中，有時(shí)還會(huì)在集體沉默和合唱之間交替出現(xiàn)。避免重疊是一致的（確定性的），而后面的集體召集則更具多樣性（隨機(jī)的）。該模式的另一個(gè)實(shí)用工具是它如何巧妙地使青蛙從它們的呼喚中休息，這需要大量的能量。

圖2.青蛙合唱和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系。

然后，研究人員建立了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，將青蛙的主要相互作用模式納入其中，并使它們適應(yīng)于可用于技術(shù)手段的基于階段的格式。

主要作者Ikyu Aihara表示：“我們以確定性的方式對(duì)呼叫狀態(tài)和沉默狀態(tài)進(jìn)行了建模，同時(shí)以隨機(jī)的方式對(duì)往返于它們之間的過渡進(jìn)行了建模。這些模型定性地再現(xiàn)了實(shí)際青蛙的呼叫模式，從而有助于設(shè)計(jì)自主的分布式通信系統(tǒng)。”

這樣的系統(tǒng)必須巧妙地調(diào)節(jié)奉獻(xiàn)，活動(dòng)和休息。因此，作為研究的第三部分，研究人員利用該模型對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行管理。這些網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)鍵組件，因?yàn)樗鼈兎稚⒌膫鞲衅鞴?jié)點(diǎn)可以測(cè)量和傳達(dá)不同的環(huán)境特征。然后，通過復(fù)雜的協(xié)調(diào)，將收集的數(shù)據(jù)饋送到中央系統(tǒng)。

圖3.青蛙合唱的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)；雄蛙在很短的時(shí)間內(nèi)改變他們的叫聲，共同在叫聲和無聲狀態(tài)之間切換。

他們發(fā)現(xiàn)短時(shí)尺度交替對(duì)避免數(shù)據(jù)包沖突特別有效。同時(shí)，長(zhǎng)期的周期性和集體性轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)節(jié)能耗提供了希望。

共同作者村田雅之（Masayuki Murata）說：“這項(xiàng)研究有雙重好處�！� “這將導(dǎo)致在了解青蛙合唱方面獲得更多的生物學(xué)知識(shí)，并在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶來更高的技術(shù)效率。”