Las matemáticas responden al desconcertante comportamiento de las orejas de murciélago, allanando el camino para una actualización real de la tecnología de sonar

Una característica icónica del traje de batalla que hace que Batman sea fácilmente reconocible pronto puede darle a la tecnología de sonar del Caballero de la Noche una mejora en el mundo real: orejas de murciélago. Solo que estas orejas no solo se verían como las de un murciélago, sino que también actuarían como ellas.

Los bioingenieros de la Universidad de Hiroshima que investigan la importancia de los movimientos de las orejas de los murciélagos en la ecolocalización crearon un modelo matemático que refleja el comportamiento y aprendieron los movimientos óptimos de las pinnas que podrían amplificar la detección de la dirección. Ahora planean equipar los sonares con orejas móviles de pseudo-murciélago para un sistema de navegación tridimensional (3D) simple pero preciso.

Sus hallazgos se publican en la revista PLOS de biología computacional El pasado octubre.

A diferencia de muchos mamíferos que se basan en señales visuales para dar sentido a su entorno, los murciélagos, que son principalmente nocturnos, dominan el mapeo espacial a través de señales auditivas. Perciben el entorno 3D emitiendo pulsos ultrasónicos desde la boca o la nariz y reciben los ecos devueltos con los oídos. A pesar de este diseño simple de detección acústica activa de un transmisor, su nariz o boca, y dos receptores, sus oídos, estas maravillas del vuelo pueden realizar tareas de navegación complejas en la oscuridad, como rastrear presas o volar sin chocar con otros murciélagos del grupo.

Para localizar a su presa, los murciélagos necesitan saber la distancia y la dirección de su objetivo. Y la evolución los ha dotado de características anatómicas clave para lograrlos. Pero algunas especies también han ideado soluciones de comportamiento para refinar aún más su capacidad de detectar la dirección de una fuente de eco. Uno de esos comportamientos observados en los murciélagos con modulación de frecuencia constante (CF-FM) es el movimiento de ambas orejas durante la ecolocalización. Estas especies utilizan una combinación de llamadas CF y FM, las primeras son señales que conservan su frecuencia a lo largo de su duración, mientras que la frecuencia de las últimas cambia con el tiempo.

Aunque se cree que los movimientos del oído ayudan a las criaturas a localizar el ángulo de elevación de la fuente de sonido, su importancia aún no se ha entendido completamente.

Las orejas de murciélago de ingeniería inversa se convierten en máquinas de navegación delgadas y medias

El modelo del equipo de investigación japonés de tres personas refleja el comportamiento de escucha activa de los grandes murciélagos de herradura que pertenecen al grupo CF-FM. Luego utilizaron el aprendizaje automático supervisado para ejecutar simulaciones exhaustivas para descubrir el papel de los movimientos del oído en la detección de la dirección y qué movimientos funcionan mejor para realizar la tarea.

«Para la percepción espacial 3D, se ha observado bien que algunas especies de murciélagos mueven ambas orejas con un movimiento de pasos en contrafase mientras escuchan los ecos. Sin embargo, los movimientos reales de ambos oídos parecen tan complejos. Para resolver teóricamente el problema apropiado movimientos del oído para la detección de la dirección de la fuente de sonido 3D, realizamos una simulación matemática”, dijo Yasufumi Yamada, autor correspondiente del estudio y profesor asistente en la Escuela de Graduados de Ciencias Integradas para la Vida de HU.

«Para explicar más detalladamente, las condiciones de movimiento del oído requeridas para la detección de dirección se investigan teóricamente mediante simulaciones exhaustivas de pseudo-movimiento de los oídos, en lugar de simulaciones de movimientos reales del oído del ratón. En esta simulación, asumimos que el nivel de presión del sonido interaural diferencia de los ecos contribuye a la detección de la dirección de la fuente de sonido».

Su investigación mostró que solo ciertos movimientos del oído, a saber, la rotación de tres ejes, proporcionan una detección de dirección precisa y sólida. También brindó un fuerte apoyo de que el comportamiento observado en los murciélagos, donde mueven las orejas una frente a la otra, les ayuda a detectar las fuentes de sonido con mayor precisión.

Los investigadores dijeron que su enfoque matemático y sus hallazgos podrían usarse en el diseño de nuevos sistemas de detección activa.

«Nuestra investigación teórica sugiere que la directividad auditiva simplemente entrenada y los movimientos del oído simples y bien seleccionados son suficientes para lograr una detección de dirección precisa y sólida», dijo Yamada.

«En el futuro, demostraremos un sistema de detección práctico equipado con dos oídos pseudomóviles. Esperamos crear un sistema de sonda simple para sistemas de navegación 3D inspirado en los murciélagos».