青蛙合唱团激发无线传感器网络

图1.一只雄性日本树蛙产生了本项研究中所研究的鸣叫类型。

如果您曾经在池塘旁露营过，那您就会知道青蛙会在晚上拍球。但是您可能不知道他们的合唱团实际上是如何发挥功能和对其进行调节的。青蛙通过声音进行交流，在骚动中是内部精心设计的系统，可以使信息更清晰地通过，同时也可以使集体合唱和休息时间。大阪大学和筑波大学的研究人员试图利用这种两栖敏锐度实现数学和技术目标。

研究小组研究了不同时间间隔内雄性日本树蛙的鸣叫模式。为此，他们将三只青蛙分别放在笼子里，并记录了它们的声音相互作用。他们发现青蛙既避免了重叠的吱吱声，又在呼喊和沉默之间集体切换。然后，研究人员创建了一个数学模型，以使青蛙的声学教学适应技术利益，因为这种模式类似于网络中重视的模式。该发现发表在《皇家学会开放科学》杂志上。

该研究的合著者大知小南解释说：“我们发现相邻的青蛙避免了时间上的重叠，这为清晰地听到个人声音提供了路径。” “以同样的方式，传感器网络中的相邻节点需要改变数据传输的时序，以使数据包不会发生冲突。”

在观察到的青蛙三重奏中，有时还会在集体沉默和合唱之间交替出现。避免重叠是一致的（确定性的），而后面的集体召集则更具多样性（随机的）。该模式的另一个实用工具是它如何巧妙地使青蛙从它们的呼唤中休息，这需要大量的能量。

图2.青蛙合唱和无线传感器网络之间的关系。

然后，研究人员建立了一个数学模型，将青蛙的主要相互作用模式纳入其中，并使它们适应于可用于技术手段的基于阶段的格式。

主要作者Ikyu Aihara表示：“我们以确定性的方式对呼叫状态和沉默状态进行了建模，同时以随机的方式对往返于它们之间的过渡进行了建模。这些模型定性地再现了实际青蛙的呼叫模式，从而有助于设计自主的分布式通信系统。”

这样的系统必须巧妙地调节奉献，活动和休息。因此，作为研究的第三部分，研究人员利用该模型对无线传感器网络中的数据流量进行管理。这些网络是物联网中的关键组件，因为它们分散的传感器节点可以测量和传达不同的环境特征。然后，通过复杂的协调，将收集的数据馈送到中央系统。

图3.青蛙合唱的经验数据；雄蛙在很短的时间内改变他们的叫声，共同在叫声和无声状态之间切换。

他们发现短时尺度交替对避免数据包冲突特别有效。同时，长期的周期性和集体性转变为调节能耗提供了希望。

共同作者村田雅之（Masayuki Murata）说：“这项研究有双重好处。” “这将导致在了解青蛙合唱方面获得更多的生物学知识，并在无线传感器网络中带来更高的技术效率。”

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