由筑波大學的 Ikkyu Aihara 助理教授和大阪大學的 Masayuki Murata 教授領導的研究小組對日本樹蛙的合唱規則進行了實驗和數學研究,並將結果應用於無線傳感器網絡的自主分佈式控制中。

 對於夜間活動的青蛙來說,發聲對於繁殖和交流非常重要。雄性唱歌聲音很大,而且唱歌有一定的規律性,而不是隨機的。通過對雄性日本樹蛙的錄音數據進行分析,研究小組發現,除了之前的研究結果“雄性會改變叫聲的時間”之外,“調整鳴叫聲”的特性在長時間尺度上查看時的“間隔”。找到了。然後他們假設個別青蛙每次發出呱呱叫聲時都會失去能量並變得更加疲勞。基於此,我們提出了一個數學模型,根據能量、疲勞以及周圍是否存在男性唱歌來隨機切換發聲狀態和休息狀態,並定性地再現結果。

 此外,這種青蛙合唱模型還應用於無線傳感器網絡的自主分散控制(通過每個終端的單獨判斷進行控制)。 考慮到放置100個帶有傳感器的無線終端的情況,我們根據合唱模型控制每個終端的通信時序。通過該數值模擬,發現“附近的終端避免了數據包衝突(由於同時傳輸數據而導致傳送失敗),同時在通信狀態和休眠狀態之間切換。”由於這一特性,除了避免附近終端之間的數據包衝突之外,還可以提高整個網絡的連接性和節能性能。

 其結果是,有望取得生物群體行為的基礎研究成果以及向生物學習的新技術(仿生學)的開發。

論文信息:【英國皇家學會開放科學】青蛙合唱作為自主分佈式通信系統的數學建模及應用

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