自然界中，許多動(dòng)物例如螞蟻、鳥(niǎo)、魚(yú)等，都存在“集群行為”。在這些集群系統(tǒng)中，每個(gè)動(dòng)物都會(huì)采用各種感知手段與其鄰近的同伴交互。

 

 

 

蟻群（圖片來(lái)源: Christine Daniloff/麻省理工學(xué)院）

 

 

鳥(niǎo)群（圖片來(lái)源：維基百科）

 

 

魚(yú)群（圖片來(lái)源：維基百科）

 

 

對(duì)于動(dòng)物集群的實(shí)驗(yàn)與理論研究，有助于我們進(jìn)一步理解多個(gè)動(dòng)物之間的交互機(jī)制，同時(shí)也啟發(fā)了一項(xiàng)稱(chēng)為“集群智能”的新技術(shù)。多項(xiàng)理論研究表明，集群智能（例如蟻群算法）能解決真實(shí)世界中的問(wèn)題，特別是信息與通信領(lǐng)域的問(wèn)題。

 

作為兩棲動(dòng)物的“青蛙”也有相似的行為。也許，你曾有過(guò)夜晚在池塘旁露營(yíng)的體驗(yàn)。那時(shí)，你也許聽(tīng)到了池塘中此起彼伏的青蛙鳴叫聲，正如宋詞中所描繪的那樣：“聽(tīng)取蛙聲一片”。有人覺(jué)得蛙聲悅耳，有人覺(jué)得蛙聲刺耳，但是卻很少有人會(huì)想到：蛙聲能給我們什么啟發(fā)？

 

 

 

蛙發(fā)聲時(shí)的聲囊（圖片來(lái)源：維基百科）

 

 

首先，我們來(lái)看一個(gè)問(wèn)題：青蛙為什么會(huì)叫？簡(jiǎn)單說(shuō)，像許多動(dòng)物一樣，青蛙也是用聲音在個(gè)體之間通信（或者說(shuō)傳遞信息）的?？偟膩?lái)說(shuō)，一只雄性青蛙連續(xù)發(fā)出叫聲，主要目的就是為了吸引雌性青蛙的注意，并向其他雄性青蛙宣示其領(lǐng)地。

 

可是，在同一繁殖地點(diǎn)，通常會(huì)有許多雄蛙在一起。如果沒(méi)有一種機(jī)制來(lái)規(guī)范這種鳴叫的“時(shí)序”，那么同一段時(shí)間內(nèi)，青蛙們的鳴叫會(huì)相互重疊，從而掩蓋了每個(gè)雄蛙“自己”要傳遞的信號(hào)。

 

然而，奇妙之處在于，雄蛙們并不像市場(chǎng)中的小販們一樣雜亂無(wú)章地叫賣(mài)，聲音相互重疊。取而代之的，青蛙們似乎是在接受統(tǒng)一指揮，有規(guī)律地“合唱”著。短時(shí)間來(lái)看，它們的叫聲不會(huì)相互重疊；長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，它們似乎同步著叫聲的開(kāi)始與結(jié)束。相應(yīng)地，在每個(gè)“歌唱”的間隔，雄蛙們也能得到休息，從而降低能量消耗并緩解身體疲勞。

 

創(chuàng)新

 

近日，日本大阪大學(xué)與筑波大學(xué)的研究人員設(shè)法將這種兩棲動(dòng)物的智慧應(yīng)用于數(shù)學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域。他們的研究成果在《Royal Society Open Science》期刊上發(fā)表。

 

技術(shù)

 

團(tuán)隊(duì)研究了雄性日本樹(shù)蛙在不同時(shí)間間隔內(nèi)的鳴叫模式。

 

 

 

雄性日本樹(shù)蛙（圖片來(lái)源：大阪大學(xué)）

 

 

為此，他們將三只樹(shù)蛙關(guān)到一個(gè)單獨(dú)的籠子內(nèi)，記錄它們之間的聲音互動(dòng)。他們發(fā)現(xiàn)，三只青蛙的叫聲都會(huì)在時(shí)間上避免相互重疊，并在“合唱”與“沉默”之間協(xié)同切換。然后，研究人員們創(chuàng)造出一個(gè)數(shù)學(xué)模型，讓青蛙們的“聲學(xué)教學(xué)”帶來(lái)技術(shù)效益，因?yàn)檫@種模式類(lèi)似于在互聯(lián)網(wǎng)中得到應(yīng)用的那些有價(jià)值的模式。

 

論文合著者 Daichi Kominami 解釋道：“我們發(fā)現(xiàn)，鄰近的青蛙避免了時(shí)間上的重疊，從而使得個(gè)體的聲音能不受干擾地被聽(tīng)到。通過(guò)同樣的方式，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的鄰近節(jié)點(diǎn)需要在時(shí)間上交替地傳輸數(shù)據(jù)，這樣數(shù)據(jù)包就不會(huì)相互沖突。”

 

在觀察到的青蛙“三重唱”中，協(xié)同的“沉默”與“合唱”之間也存在著這樣的時(shí)間交替。這種“重疊避免機(jī)制“是連貫的（確定性的），而后面的集體發(fā)聲卻更加變化多端（隨機(jī)性的）。這種模式更進(jìn)一步的效用就是，它如何“智慧“地讓青蛙從耗費(fèi)大量能量的鳴叫聲中停下來(lái)休息。

 

 

 

下圖所示：青蛙合唱的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。短時(shí)間內(nèi)，雄蛙交替鳴叫；長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，雄蛙在“沉默”與“鳴叫”狀態(tài)之間協(xié)同地切換。

 

（圖片來(lái)源：大阪大學(xué)）

 

 

然后，研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)學(xué)模型，其中包含了青蛙的主要交互模式，并且讓這些交互模式可以適配基于相位的格式，成為有用的技術(shù)手段。

 

論文的領(lǐng)導(dǎo)作者 Ikkyu Aihara 表示：“我們以一種確定性方式，建模了鳴叫和沉默的狀態(tài)。這些狀態(tài)之間的過(guò)渡期模型是隨機(jī)的。這些模型定性地復(fù)制了青蛙的實(shí)際鳴叫模式，并將有助于自主分布式通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。”

 

這樣的系統(tǒng)必須聰明地管理“施與受”、“活動(dòng)與休息”。因此，在這項(xiàng)研究的第三部分中，研究人員們利用該模型進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通信管理。這些網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，因?yàn)槠渲械姆稚鞲衅鞴?jié)點(diǎn)能測(cè)量并傳輸各種環(huán)境特征。然后，通過(guò)復(fù)雜的協(xié)調(diào)，采集的數(shù)據(jù)被反饋至中央系統(tǒng)。

 

 

青蛙合唱與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的關(guān)系（圖片來(lái)源：大阪大學(xué)）

 

 

他們發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的交替，對(duì)于避免數(shù)據(jù)包沖突來(lái)說(shuō)特別有效。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)與協(xié)同轉(zhuǎn)換，有望用于調(diào)節(jié)能耗。

 

價(jià)值

 

論文合著者 Masayuki Murata 表示：“這項(xiàng)研究具有雙重益處。它不僅帶來(lái)了更好的生物知識(shí)，幫助我們理解青蛙的合唱，而且將提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的技術(shù)效率。”