「蛙鳴」啟發的通信：讓物聯網更高效節能！

導讀

近日，日本大阪大學與筑波大學的研究人員受青蛙「合唱」的智慧啟發，設計出一個數學模型，並用它打造更加節能與高效的物聯網。

背景

自然界中，許多動物例如螞蟻、鳥、魚等，都存在「集群行為」。在這些集群系統中，每個動物都會採用各種感知手段與其鄰近的同伴交互。

蟻群（圖片來源: Christine Daniloff/麻省理工學院）

鳥群（圖片來源：維基百科）

魚群（圖片來源：維基百科）

對於動物集群的實驗與理論研究，有助於我們進一步理解多個動物之間的交互機制，同時也啟發了一項稱為「集群智能」的新技術。多項理論研究表明，集群智能（例如蟻群演算法）能解決真實世界中的問題，特別是信息與通信領域的問題。

作為兩棲動物的「青蛙」也有相似的行為。也許，你曾有過夜晚在池塘旁露營的體驗。那時，你也許聽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：「聽取蛙聲一片」。有人覺得蛙聲悅耳，有人覺得蛙聲刺耳，但是卻很少有人會想到：蛙聲能給我們什麼啟發？

蛙發聲時的聲囊（圖片來源：維基百科）

首先，我們來看一個問題：青蛙為什麼會叫？簡單說，像許多動物一樣，青蛙也是用聲音在個體之間通信（或者說傳遞信息）的。總的來說，一隻雄性青蛙連續發出叫聲，主要目的就是為了吸引雌性青蛙的注意，並向其他雄性青蛙宣示其領地。

可是，在同一繁殖地點，通常會有許多雄蛙在一起。如果沒有一種機制來規範這種鳴叫的「時序」，那麼同一段時間內，青蛙們的鳴叫會相互重疊，從而掩蓋了每個雄蛙「自己」要傳遞的信號。

然而，奇妙之處在於，雄蛙們並不像市場中的小販們一樣雜亂無章地叫賣，聲音相互重疊。取而代之的，青蛙們似乎是在接受統一指揮，有規律地「合唱」著。短時間來看，它們的叫聲不會相互重疊；長時間來看，它們似乎同步著叫聲的開始與結束。相應地，在每個「歌唱」的間隔，雄蛙們也能得到休息，從而降低能量消耗並緩解身體疲勞。

創新

近日，日本大阪大學與筑波大學的研究人員設法將這種兩棲動物的智慧應用於數學和技術領域。他們的研究成果在《Royal Society Open Science》期刊上發表。

技術

團隊研究了雄性日本樹蛙在不同時間間隔內的鳴叫模式。

雄性日本樹蛙（圖片來源：大阪大學）

為此，他們將三隻樹蛙關到一個單獨的籠子內，記錄它們之間的聲音互動。他們發現，三隻青蛙的叫聲都會在時間上避免相互重疊，並在「合唱」與「沉默」之間協同切換。然後，研究人員們創造出一個數學模型，讓青蛙們的「聲學教學」帶來技術效益，因為這種模式類似於在互聯網中得到應用的那些有價值的模式。

論文合著者 Daichi Kominami 解釋道：「我們發現，鄰近的青蛙避免了時間上的重疊，從而使得個體的聲音能不受干擾地被聽到。通過同樣的方式，感測器網路中的鄰近節點需要在時間上交替地傳輸數據，這樣數據包就不會相互衝突。」

在觀察到的青蛙「三重唱」中，協同的「沉默」與「合唱」之間也存在著這樣的時間交替。這種「重疊避免機制「是連貫的（確定性的），而後面的集體發聲卻更加變化多端（隨機性的）。這種模式更進一步的效用就是，它如何「智慧「地讓青蛙從耗費大量能量的鳴叫聲中停下來休息。

下圖所示：青蛙合唱的經驗數據。短時間內，雄蛙交替鳴叫；長時間內，雄蛙在「沉默」與「鳴叫」狀態之間協同地切換。

（圖片來源：大阪大學）

然後，研究人員開發了一個數學模型，其中包含了青蛙的主要交互模式，並且讓這些交互模式可以適配基於相位的格式，成為有用的技術手段。

論文的領導作者 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。這些狀態之間的過渡期模型是隨機的。這些模型定性地複製了青蛙的實際鳴叫模式，並將有助於自主分散式通信系統的設計。」

這樣的系統必須聰明地管理「施與受」、「活動與休息」。因此，在這項研究的第三部分中，研究人員們利用該模型進行無線感測器網路中的數據通信管理。這些網路是物聯網的核心，因為其中的分散感測器節點能測量並傳輸各種環境特徵。然後，通過複雜的協調，採集的數據被反饋至中央系統。

青蛙合唱與無線感測器網路之間的關係（圖片來源：大阪大學）

他們發現，短時間的交替，對於避免數據包衝突來說特別有效。同時，長時間的循環與協同轉換，有望用於調節能耗。

價值

論文合著者 Masayuki Murata 表示：「這項研究具有雙重益處。它不僅帶來了更好的生物知識，幫助我們理解青蛙的合唱，而且將提高無線感測器網路中的技術效率。」

關鍵字

通信、物聯網、感測器

參考資料

【1】https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2019/20190109_1

【2】Ikkyu Aihara , Daichi Kominami , Yasuharu Hirano and Masayuki Murata. Mathematical modelling and application of frog choruses as an autonomous distributed communication system. Royal Society Open Science, 2019 DOI: 10.1098/rsos.181117

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！