将自主无人机用于派送包裹——或执行搜索和救援任务——的一个大问题是天空复杂且不可预测。树木、电线和螺旋飞行的橄榄球几乎可能出现在飞行路径的任何地方。一种躲避这些障碍的新策略可能来自一个意想不到的来源：蝙蝠摆动耳朵的方式。
弗吉尼亚理工大学机械工程教授 Rolf Mueller 几年前在查看蝙蝠照片时首次产生了这一想法。他注意到某些物种的耳朵通常看起来模糊不清，因为这些动物一直在快速地摆动耳朵。但这是为什么呢？
Mueller 研究蝙蝠的行为，包括它们对多普勒效应或多普勒频移的适应。这两个术语都指的是来自快速移动物体（如火车或救护车）的声波在物体接近听者时被压缩（因此音调更高）的方式。然后，当车辆远离时，声波再次拉长并变得音调更低。即使当火车或救护车不在视线范围内时，人们也可以通过声音的这些变化大致判断出它在任何时刻的位置。蝙蝠以非常相似的方式使用多普勒频移来定位物体，但精度要高得多。
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自 20 世纪 30 年代以来，科学家们就已知道，以昆虫为食的蝙蝠在夜间穿梭时会发出阵阵声音。它们利用反射的声波来识别障碍物和锁定猎物，这种能力被称为回声定位或生物声纳。20 世纪 60 年代的研究表明，蝙蝠还会解读多普勒频移，从飞行昆虫反射回来的声音中，以高精度锁定猎物——即使在稠密的植被中以极快的速度机动飞行时也是如此。更令人印象深刻的是，即使它们的飞行运动在反射回来的声波中产生了自身可能令人困惑的多普勒频移，它们也能做到这一点。蝙蝠不会迷失方向，因为它们会调整发出叫声的频率来补偿这种“坏”多普勒频移。
“自从这些开创性的发现以来，科学界普遍认为，多普勒频移在这些动物的生物声纳系统中的作用已被完全理解，”Mueller 说。但是，看着模糊耳朵蝙蝠的照片，他想知道快速的耳朵运动可能如何融入到复杂的画面中。他和他的实验室的博士生、合著者 Yin Xiaoyan 进行了两种方法来测试耳朵是否真的能移动得足够快以产生自身的多普勒频移——以及这对于回声定位可能意味着什么。他们的研究结果已于本月发表在Proceedings of the National Academy of Sciences USA上。
首先，研究人员与经过训练的马蹄蝠和叶鼻蝠合作，在每只耳朵上的 60 个点（集中在更灵活的外耳上）绘制了可见的斑点。然后，使用同步的高速摄像机和超声波麦克风阵列，他们拍摄了每只蝙蝠悬挂在栖木上，一个新物体经过时的情景。这证明了耳朵的运动速度足够快，可以产生多普勒频移，这些频移在蝙蝠可以轻松感知的范围内，并且这些频移与传入的回声同步。此外，每只耳朵都独立移动，并且每只耳朵的各个部分在不同的时间变形——“因此，在每个时间点，蝙蝠都在用不同的耳朵形状聆听，”Mueller 说。他和 Yin 将此解释为意味着蝙蝠正在产生“良好”的多普勒频移来改变传入的声音，从而获得关于生物声纳目标行进方向的更准确信息。为了进一步验证这个想法，两位研究人员用硅材料开发了一个人工马蹄蝠耳朵，并配备了称为“快速致动器”的装置，这些装置以与蝙蝠相同的方式移动耳朵的不同部分。这些运动也为传入的声音增加了多普勒频移。
那么，这一切与无人机有什么关系呢？Mueller 说，即使是正在开发的最新版本，“与蝙蝠相比，也几乎都是笨拙的，”特别是如果你“希望无人机能够进入茂密的植被”（例如，进行林业工作或搜索和救援任务）。他和 Yin 已经设计了他称之为无人机“蝙蝠帽”的东西——一种发射超声波信号并具有两个可移动“耳朵”来记录回声定位的装置。到目前为止，他们只通过手工或滑索在森林中移动该装置进行了实验。“我的职业梦想，”Mueller 说，“是拥有一架在自然环境中具有与蝙蝠相同敏捷性的无人机。”
约翰·霍普金斯大学的神经生物学家 Melville J. Wohlgemuth 说：“我认为这非常聪明”，他在 2016 年对棕蝠的研究首次表明，蝙蝠使用头部摆动和耳朵运动作为其捕猎过程的一部分。“人工声纳和雷达系统，以及用于自动驾驶汽车的这些自主系统，肯定可以通过我们从生物世界中学到的一些东西来改进。”他补充说，研究表明，“当我们感知世界时，我们非常积极地这样做。我们不断地移动我们的眼睛，正是这种运动使我们能够以高分辨率获取信息。”现在看来，蝙蝠使用耳朵的方式也是如此。Wohlgemuth 没有参与这项新研究，他称赞其发现“非常合理”，部分原因是 Mueller 在生物系统和工程学方面都具有背景。“他在这方面做得非常好，”Wohlgemuth 说。
耶鲁大学电气工程教授 Roman Kuc 说：“当我第一次听到这篇论文时，我想，‘我不知道，’”他的工作也涉及该领域，并且没有参与这项新研究。“他们提出的——耳朵运动引起多普勒频移——不是我所期望的。为什么这是可信的呢？”他认为，生物世界中的感觉机制通常看起来违反直觉。“工程师会告诉你他们想要最大化信噪比。蝙蝠的做法却恰恰相反。它们将耳朵移到两侧，这意味着来自前方的声音会减少。它们降低了信噪比，但提高了回声定位能力。”现在看来，快速的耳朵运动是另一种违反直觉的技术：Kuc 说，蝙蝠发出的恒定信号有利于检测昆虫的存在，但不一定有利于精确定位昆虫。但是，当声音返回到耳朵时，添加多普勒频移使蝙蝠能够以极高的精度跟踪昆虫的位置，即使昆虫移动过去，甚至试图躲避蝙蝠。“这篇文章，”Kuc 说，“揭示了回声处理中一个相当有趣的复杂性。”
一种可能的结果：可以躲避空中危险并安全抵达每家每户门口的多普勒频移无人机。