圖1.一只雄性日本樹蛙產(chǎn)生了本項研究中所研究的鳴叫類型。

如果您曾經(jīng)在池塘旁露營過，那您就會知道青蛙會在晚上拍球。但是您可能不知道他們的合唱團(tuán)實際上是如何發(fā)揮功能和對其進(jìn)行調(diào)節(jié)的。青蛙通過聲音進(jìn)行交流，在騷動中是內(nèi)部精心設(shè)計的系統(tǒng)，可以使信息更清晰地通過，同時也可以使集體合唱和休息時間。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現(xiàn)數(shù)學(xué)和技術(shù)目標(biāo)。

研究小組研究了不同時間間隔內(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，因為這種模式類似于網(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間上的重疊，這為清晰地聽到個人聲音提供了路徑�！� “以同樣的方式，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的相鄰節(jié)點需要改變數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序，以使數(shù)據(jù)包不會發(fā)生沖突。”

在觀察到的青蛙三重奏中，有時還會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）。該模式的另一個實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呼叫狀態(tài)和沉默狀態(tài)進(jìn)行了建模，同時以隨機(jī)的方式對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)了實際青蛙的呼叫模式，從而有助于設(shè)計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)，活動和休息。因此，作為研究的第三部分，研究人員利用該模型對無線傳感器網(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，因為它們分散的傳感器節(jié)點可以測量和傳達(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)驗數(shù)據(jù)；雄蛙在很短的時間內(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)短時尺度交替對避免數(shù)據(jù)包沖突特別有效。同時，長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，并在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中帶來更高的技術(shù)效率�！�