本研究成果のポイント
- コウモリは超音波(パルス)を発して、周囲からの反射音(エコー)を聴取し环境把握を行っているが、これまで、飞行中のコウモリが聴取しているエコーの取得が困难であったため、コウモリがエコーからどのような空间を把握しているのかは、推定できなかった。
- 今回、コウモリの行动计测に音响シミュレーションを组み合わせることで、コウモリに届くエコーを復元し、エコーから定位される障害物空间(?エコー空间?)の可视化に初めて成功した。
- さらに、コウモリが音によって把握する空间は、我々が视覚によって把握している実际の认识空间とは异なることを発见した。
概要
同志社大学大学院生命医科学研究科の手嶋优风大学院生、飞龙志津子教授、理工学部の土屋隆生教授らは、広岛大学と共同で、コウモリが音であるエコーから把握する障害物空间が実空间とは异なり、飞行に重要な场所を効率よく把握していることを発见しました。
コウモリは洗练された超音波ソナー注1)の能力を有しています。これまで、コウモリの飞行や放射される超音波音声(以后、パルス)の分析から、そのソナー能力の高さが明らかになってきました。しかしコウモリが聴取しているエコーを计测することが困难なために、コウモリがエコーロケーションによってどのような空间を把握しているのかについて、これまで明らかにされていませんでした。
本研究グループは、障害物空间を飞行するコウモリの飞行轨跡や放射パルスを计测し、音响シミュレーション空间と融合することで、エコーの復元を试みました。さらに復元したエコーから、パルスが反射した场所(エコー源)を算出し、可视化しました。その结果、すべてのエコー源で构成される?エコー空间?は、実际の空间とは异なり、飞行に重要な场所のみで构筑されていることを発见しました。
本研究成果は、3月14日午前1時(英国夏時間)〔日本時間3月14日午前9時〕に?BMC Biology?で公開されました。
本成果は、以下の事业?研究领域?研究课题によって得られました。
日本学术振兴会科学研究费助成事业「学术変革领域研究（础）」
领域课题名：「サイバー?フィジカル空间を融合した阶层的生物ナビゲーション」
（研究统括：桥本浩一 东北大学 教授）
研究课题名：「音响サイバー空间を利用したコウモリの阶层ナビゲーションの理解」
研究代表者：飞龙志津子 同志社大学生命医科学部 教授
研究期间：令和3年度～令和7年度
日本学术振兴会科学研究费助成事业 基盘研究础
研究课题名：コウモリの集団飞行に学ぶ、３次元群知能センシングの解明とその工学的応用
研究代表者：飞龙志津子 同志社大学生命医科学部 教授
研究期间：平成30年4月～令和4年3月
発表内容
【背景】
コウモリは、自ら発した超音波音声(パルス)に対する反响音(エコー)を聴取?分析することで、周囲环境を把握し飞行します。コウモリの音による空间把握能力は、暗闇の中、障害物にぶつかることなく微小昆虫を高速かつ连続で捕食できるほど、高度に発达しています。一方で、コウモリがエコーから把握する空间は、滑らかで大きな壁にぶつかる行动が観察されるなど、视覚での认识空间とは异なることが予想される行动が観察されています。つまりコウモリは、エコーからの情报をもとに、我々が视覚で见ている実际の空间とは异なる独自の认识空间を构筑している可能性が考えられます。しかし、コウモリの把握している空间を推定するためには、コウモリの左右の耳に届く周囲からのエコーをすべて取得する必要がありますが、技术的な问题から、エコーの计测は困难でした。
【内容】
上记の问题を解决するために、本研究では、障害物を配置した実空间での行动计测と音响シミュレーションを组み合わせることによって、エコーの復元を可能としました。そして、コウモリが放射したパルスが反射した场所(エコー源)を算出することで、すべてのエコー源から构成される空间(?エコー空间?)を可视化し、コウモリがエコーから把握する障害物空间の検讨を行いました。
障害物として3枚のアクリル板を设置した空间内を用意し、コウモリを飞行させたところ、コウモリは板を避けるように厂字の経路で飞行しました(図1上図)。この际のエコー空间を可视化したところ、障害物を回避するために重要な场所、板状の障害物のエッジ部分から主に构成されていることが明らかとなりました(図1)。またコウモリが障害物空间を初めて飞行した际と、空间を十分に学习した飞行12回目では、エコー源がよりエッジ部分に集まっており、少ないパルス放射で効率的に回避行动に重要となる障害物のエッジ付近の情报を取得していることもわかりました(図2)。さらに、エコー源の方向がコウモリの飞行方向の制御(旋回角速度)に影响を与えている可能性を示すことができました(図3)。
【今后の展开】
本研究において、飞行中にコウモリに届くエコーが復元可能となりました。これにより、コウモリへの入力情报となる?エコー?と、コウモリからの行动出力である?飞行?パルス?の双方が取得でき、コウモリをシステムととらえた场合の入出力情报の関係より、その行动ルールの解明が期待できます。1送信器(口または鼻)2受信器(両耳)という极めてシンプルな机构で空间を把握するコウモリのソナー机构をモデル化することで、生物由来の新たなセンシング手法の确立やその工学的応用が期待できます。
図1 コウモリが実际に飞行した空间と、エコーから推定した空间の比较。それぞれ実験空间を上から见た図になっている。実际の空间には、コウモリが厂字に飞行するように、左右交互に障害物であるアクリル板が配置されている。対してエコーから推定した空间では、アクリル板のエッジ付近のエコー源で主に构成されている。エコー源の大きさはエコーの音圧に比例している。
図2 障害物空间を最初に飞行した际と、复数回飞行し空间を学习した后の飞行した际のエコー源と障害物の内侧のエッジ间の距离の比较。コウモリは空间を学习すると、エコー源が障害物の内侧のエッジにより集中するようになる。エコー源の大きさはエコーの音圧に比例している。
図3 コウモリが障害物空间を飞行した际の、飞行の旋回角速度とパルス放射方向、エコー到来方向の时间変化。パルス放射方向が旋回角速度に先行して変化していることは知られていたが、今回初めて、エコー到来方向が旋回角度速度に时间的に先行して、変化していることを明らかにした。(エコー到来方向のプロットは、エコー源が定位した障害物ごとに色を分けている。)
用语解説
注1）ソナー
音によって物体を探知また測距する技術。SONAR(SOund NAvigation and Ranging)の頭字語。
论文情报
- 掲載誌: BMC Biology
- 論文タイトル: Analysis of echolocation behavior of bats in “echo space” using acoustic simulation
(音响シミュレーションを利用した?エコー空间?でのコウモリのエコーロケーション行动の解析)
- 著者名: Yu Teshima*, Yasufumi Yamada, Takao Tsuchiya, Olga Heim, Shizuko Hiryu
(手嶋優風*、山田恭史、土屋隆生、Olga Heim、飛龍志津子)* corr-auth
- DOI: 10.1186/s12915-022-01253-y
【お问い合わせ先】
研究に関すること
手嶋 優風(テシマ ユウ)
同志社大学大学院 生命医科学研究科
博士课程(后期)3年
罢别濒&补尘辫;贵补虫：0774-65-6364
贰-尘补颈濒：测耻迟别蝉丑颈尘补18＊驳尘补颈濒.肠辞尘
飛龍 志津子(ヒリュウ シヅコ)
同志社大学 生命医科学部 教授
罢别濒&补尘辫;贵补虫：0774-65-6364
贰-尘补颈濒：蝉丑颈谤测耻＊尘补颈濒.诲辞蝉丑颈蝉丑补.补肠.箩辫
山田 恭史(ヤマダ ヤスフミ)
広島大学大学院统合生命科学研究科 助教
Tel: 082-424-7384 (内線: 7384 )
E-mail: yamadaya＊hiroshima-u.ac.jp
报道担当
河村 秀明(カワムラ ヒデアキ)
同志社大学 広報部 広報課
〒602-8580 京都府京都市上京区今出川通烏丸東入
Tel：075-251-3120 Fax：075-251-3080
贰-尘补颈濒：箩颈-办辞丑辞＊尘补颈濒.诲辞蝉丑颈蝉丑补.补肠.箩辫
中田 小百合(ナカダ サユリ)
広岛大学広报グループ
〒739-8511 広島県東広島市鏡山一丁目3番2号
Tel：082-424-4518 Fax：082-424-6040
贰-尘补颈濒：办辞丑辞＊辞蹿蹿颈肠别.丑颈谤辞蝉丑颈尘补-耻.补肠.箩辫
(注: ＊は半角@に置き換えてください)
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