任何被高速救護(hù)車經(jīng)過(guò)的人都經(jīng)歷了一種稱為多普勒頻移的物理效應(yīng)：當(dāng)救護(hù)車向聽(tīng)眾移動(dòng)時(shí)，它的運(yùn)動(dòng)會(huì)壓縮警報(bào)器的聲波并提高聲音音高。當(dāng)救護(hù)車遠(yuǎn)離收聽(tīng)者時(shí)，聲波擴(kuò)散并且音調(diào)降低。戴著眼罩的聽(tīng)眾可以使用這種多普勒頻移模式來(lái)跟蹤救護(hù)車的運(yùn)動(dòng)。

在“美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊”發(fā)表的一篇論文中，作者，工程學(xué)院機(jī)械工程教授Rolf Mueller和他的博士生尹曉燕表示，蝙蝠的耳朵帶有“內(nèi)置 -在救護(hù)車“創(chuàng)造相同的物理效果。Yin和Mueller認(rèn)為對(duì)蝙蝠生物聲學(xué)中耳朵產(chǎn)生的多普勒頻移的研究可以產(chǎn)生新的感覺(jué)原理，可以實(shí)現(xiàn)小而強(qiáng)大的傳感器。這種類型的傳感器的一個(gè)例子是用于可以在密集的葉子中操作的無(wú)人機(jī)或在復(fù)雜的水下結(jié)構(gòu)附近導(dǎo)航的自主水下載具。

“動(dòng)物足夠快地移動(dòng)耳朵，以便撞擊耳朵的聲波通過(guò)耳朵表面的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)變，并轉(zhuǎn)移到更高或更低的頻率，”穆勒說(shuō)。“實(shí)際上，所研究的蝙蝠物種(馬蹄蝙蝠和舊世界圓葉蝙蝠)可以快速移動(dòng)它們的耳朵，可以產(chǎn)生大約350赫茲的多普勒頻移。這比動(dòng)物被顯示的最小多普勒頻移大約七倍。能夠發(fā)現(xiàn)。“

眾所周知，多普勒頻移在蝙蝠的生物聲學(xué)系統(tǒng)中起著重要作用，例如Mueller和Yin研究的物種。蝙蝠具有令人羨慕的能夠在非常茂密的植被中捕殺的能力，但要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，它們必須解決如何區(qū)分蛾(它們的首選獵物)與圍繞它的數(shù)百片葉子的問(wèn)題。

“這兩種類型的蝙蝠提出的解決方案是調(diào)整由獵物的機(jī)翼拍動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，”穆勒解釋說(shuō)。“這些'良好的多普勒頻移'作為一種獨(dú)特的識(shí)別特征，可以將獵物與靜態(tài)干擾物分開(kāi)，例如樹(shù)葉中的葉子。”

研究人員很早就意識(shí)到，蝙蝠自身的飛行運(yùn)動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，這會(huì)影響獵物引起的多普勒頻移。在20世紀(jì)60年代后期，當(dāng)發(fā)現(xiàn)馬蹄蝙蝠減少其發(fā)射頻率減少了一個(gè)精確控制的量以準(zhǔn)確消除由蝙蝠的飛行速度引起的任何“不良多普勒頻移”時(shí)，發(fā)現(xiàn)了這個(gè)難題的解決方案。

“自從這些開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)以來(lái)，科學(xué)界普遍認(rèn)為，多普勒在這些動(dòng)物的生物聲學(xué)系統(tǒng)中的作用已被完全理解，”穆勒說(shuō)。“由于獵物運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移是'良好的多普勒頻移'，動(dòng)物的整個(gè)聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)被優(yōu)化以檢測(cè)，而由于蝙蝠自身的飛行運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻移是”不良的多普勒頻移“，動(dòng)物通過(guò)反饋控制消除他們的排放。“

雖然穆勒和尹在20世紀(jì)60年代早期的文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了蝙蝠可能會(huì)用自己的耳朵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的猜測(cè)，但這個(gè)想法從未跟進(jìn)實(shí)驗(yàn)工作。

Mueller和Yin進(jìn)行的工作使用基于高速攝像機(jī)的立體視覺(jué)仔細(xì)測(cè)量了耳朵表面的運(yùn)動(dòng)，并且作者能夠預(yù)測(cè)表面在耳朵的不同部分移動(dòng)的速度。他們還估計(jì)了耳朵運(yùn)動(dòng)方向與蝙蝠有生物識(shí)別指向的方向之間的角度，并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度和方向是對(duì)齊的，以最大化產(chǎn)生的多普勒頻移。

為了證明多普勒頻移信號(hào)進(jìn)入仿生耳廓的耳道并且蝙蝠可以進(jìn)入，研究人員建立了一個(gè)靈活的蝙蝠耳朵硅膠復(fù)制品，可以通過(guò)拉動(dòng)連接的繩子來(lái)執(zhí)行快速運(yùn)動(dòng)。

研究的最后一部分是找到耳朵產(chǎn)生的多普勒頻移的可能用途。

“我們能夠證明多普勒頻移在時(shí)間和頻率上產(chǎn)生了不同的模式，可以用來(lái)指示目標(biāo)的方向，”穆勒說(shuō)。“在這些蝙蝠物種的生物聲學(xué)系統(tǒng)的背景下，它們通常在窄頻帶中集中并發(fā)射它們的大部分超聲能量。然而，為了告知目標(biāo)的方向，通?？梢苑奖愕夭榭炊鄠€(gè)頻率如何傳輸通過(guò)耳朵和由此產(chǎn)生的“光譜顏色”。由耳朵運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移模式可以讓這些蝙蝠物種選擇將其能量集中在一個(gè)狹窄的頻帶中，同時(shí)也能夠分辨出目標(biāo)方向。“