Các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã chỉ ra rằng các đàn dơi lá mũi Nhật Bản lớn tránh được sự hỗn loạn âm thanh bằng cách khóa các tiếng gọi định vị bằng tiếng vang của chúng vào một tần số duy nhất, dùng chung. Phát hiện này, được công bố trên tạp chí Journal of Comparative Physiology A, gợi mở một phương pháp lấy cảm hứng từ sinh học để vượt qua tình trạng gây nhiễu tín hiệu trong sonar, robot tự hành và các cảm biến quốc phòng.
Nút thắt cổ chai âm thanh trong các đàn dơi
Định vị bằng tiếng vang cho phép dơi "nhìn" bằng cách phát ra các xung siêu âm và lắng nghe các tiếng vang dội lại từ côn trùng và chướng ngại vật. Trong một nơi trú ẩn đông đúc, hàng chục cá thể phát ra tiếng gọi cùng một lúc, tạo thành một bức tường âm thanh chồng chéo. Sự nhiễu loạn này có thể át đi tiếng vang yếu ớt của một con bướm đêm gần đó, khiến việc săn mồi và định hướng trở nên gần như không thể.
Hầu hết các loài dơi đối phó bằng cách thay đổi cao độ để tránh xa các cá thể lân cận, một chiến thuật chỉ hiệu quả khi nhóm nhỏ hoặc mật độ thưa thớt. Tuy nhiên, loài dơi lá mũi Nhật Bản lại chọn một con đường khác: thay vì phân tán các tần số, nó lại kéo chúng lại gần nhau.
Một "cửa sổ phổ yên tĩnh" tập thể
Nghiên cứu thực địa từ năm 2008-2024, bao gồm 15 đợt bắt dơi, đã tiết lộ một quy luật rõ ràng. Những con dơi bắt đầu với các tiếng gọi tần số thấp dần dần nâng cao cao độ cho đến khi khớp với tông chủ đạo của cả đàn. Một khi cả nhóm đã thống nhất được tần số chung đó, nền âm thanh tổng thể sẽ giảm xuống dưới ngưỡng tiếng ồn tới hạn, tạo ra một dải yên tĩnh trong phổ âm thanh. Trong dải đó, những tiếng vang yếu ớt của côn trùng trở nên nổi bật rõ rệt.
Các nhà nghiên cứu cũng ghi nhận cách loài dơi bù đắp cho hiệu ứng Doppler — sự thay đổi tần số do tốc độ bay của chính con dơi gây ra — để các tiếng vang phản hồi luôn nằm trong cửa sổ thính giác hẹp mà chúng đã điều chỉnh. Kết quả là một tín hiệu phối hợp giúp duy trì cả phạm vi và độ phân giải bất chấp một đàn gọi tiếng vang dày đặc.
Từ thợ săn đêm đến các cảm biến kỹ thuật
Cùng một vấn đề đang gây khó khăn cho các đàn dơi — nhiều máy phát cạnh tranh cùng một không gian âm thanh — cũng đang làm phiền các mảng sonar hiện đại, các đàn drone và mạng lưới radar phân tán. Các kỹ sư từ lâu đã dựa vào các sơ đồ phân chia theo thời gian hoặc phân chia theo tần số, vốn đòi hỏi sự đồng bộ chặt chẽ và lập lịch phức tạp. Cách tiếp cận "cửa sổ phổ" của loài dơi gợi ý một giải pháp thay thế đơn giản hơn: để một nhóm thiết bị hội tụ về một tần số sóng mang chung và sử dụng bộ lọc thích nghi để giữ cho dải xung quanh được yên tĩnh.
Tại sao ý tưởng này lại quan trọng đối với quốc phòng và truyền thông
Các nền tảng quốc phòng hiện đại phải đối mặt với các chiến thuật gây nhiễu điện tử, làm tràn ngập các cảm biến bằng các tín hiệu giả. Một phương pháp dựa trên cơ sở sinh học để tạo ra một lát cắt phổ được bảo vệ có thể giúp sonar trên các tàu hải quân hoặc radar hàng không trở nên kiên cố hơn, đặc biệt là trong môi trường điện từ đông đúc.
Các quan điểm phản biện và giới hạn thực tế
Việc chuyển đổi cơ chế tai và não của dơi sang silicon không hề đơn giản. Dơi đạt được sự đồng bộ thông qua phản hồi thính giác nhanh chóng, độ trễ thấp mà phần cứng cảm biến hiện tại đang gặp khó khăn để mô phỏng lại. Loài dơi cũng hoạt động trong một dải siêu âm tương đối hẹp, không tương ứng trực tiếp với các tần số vô tuyến được sử dụng bởi hầu hết các hệ thống liên lạc.
Những điều cần theo dõi tiếp theo
Tác động đối với sự thúc đẩy công nghệ của Ấn Độ
Các lĩnh vực quốc phòng và robot đang mở rộng của Ấn Độ sẽ được hưởng lợi từ bất kỳ kỹ thuật nào giúp giảm tải tính toán cho việc khử nhiễu. Việc kết hợp cửa sổ phổ mô phỏng theo loài dơi có thể đẩy nhanh quá trình phát triển sonar nội địa cho hải quân, cải thiện độ tin cậy của drone giao hàng tự hành và tinh chỉnh các công cụ giám sát âm thanh được sử dụng trong bảo tồn động vật hoang dã. Các điểm nóng về đa dạng sinh học của quốc gia này là nơi trú ngụ của nhiều loài dơi, cung cấp một phòng thí nghiệm tại chỗ cho các nghiên cứu sâu hơn.
Bài học rút ra
Tự nhiên đã giải quyết vấn đề môi trường tín hiệu đông đúc bằng cách để cả một đàn cùng nói chung một nhịp. Khả năng định vị bằng tiếng vang đồng bộ của dơi lá mũi Nhật Bản cung cấp một khuôn mẫu cụ thể cho các kỹ sư đang tìm cách giữ cho các cảm biến của họ luôn rõ ràng khi không khí — hoặc nước — đầy rẫy các xung tín hiệu cạnh tranh. Thách thức hiện nay là kết nối sinh học và phần cứng, biến một chiến lược săn mồi hàng đêm thành một công nghệ chống nhiễu có khả năng mở rộng.