科学家制出蝙蝠超声波“回声定位”3D效果模型

科学家制出蝙蝠超声波“回声定位”3D效果模型等作者：来源：《发明与创新(综合版)》2010年第05期科学家制出蝙蝠超声波“回声定位”3D效果模型近日美国科学家研究发现，在具有繁琐障碍物的环境下，蝙蝠会通过变动声音频率来为自己做回波定位。

美国科学家在实验过程中还专门制作出了一个3D“回声定位”效果模型。

据报道，来自美国布朗大学的科学家发现，蝙蝠能巧妙地调整声音的频率做到回波定位，从而适应特殊的杂乱地形。

研究人员为了测试出蝙蝠的定位能力和范围，专门设计了一个实验。

在实验中，研究人员在试验测试室里挂满了塑料链条，并给蝙蝠带上仅有半克重的麦克风，从而记录下蝙蝠从这些障碍物中穿梭飞行时候发出的声音。

当蝙蝠面对繁密的链条时，会调整它们飞行时发出的声音频率。

当原路返回时，蝙蝠们对路线已经非常清晰，不再需要变动声音频率来定位。

研究者们推测，比起使用单一的频率，多频定位可以帮助蝙蝠更加迅速地适应周围的环境。

美国布朗大学的科学家分析，这完全是让发出的声音与回声相匹配的问题，蝙蝠们无视或者不处理那些容易产生干扰的东西，而只是去认真专注地做好不同频率的回声匹配。

实验进一步发现，蝙蝠需要许多关于地形的数据，但是第一次的回音却不足以提供足够的信息，所以它需要发送第二、第三乃至第四束声音。

而令人神奇的是：通过细微地改变噪声间距，蝙蝠可以区分不同的声音，最后大脑整合出一个此处地形的3D地图。

在实验中，科研人员制作出了一个3D模拟模型，科学家及实验室负责人推断，变换频率的技巧是蝙蝠们能够在快速飞行中正确定位的一个方法。

目前，科学家正在努力把这种回声定位方法应用到实践中，特别是希望能够成为一种尖端的军事技术。

我国成功研制新代彩色墨粉目前，从无锡美灵数码科技有限公司传来好消息，该公司科研团队经过5年不懈努力，终于打破国外在彩色墨粉技术上的封锁，成功研制出世界新一代彩色墨粉。

“此科研成果实现产业化后，将打破来自日本、美国等国外公司对中国市场的垄断，并将创造巨大的经济与社会效益。

根据蝙蝠发明了雷达这体现的是什么
人们根据蝙蝠的回声定位系统发明了雷达。

蝙蝠是人类的良师，人类通过模仿蝙蝠的回声定位系统发明了雷达。

蝙蝠可谓是最简单版的移动“雷达”，也是雷达的最初“原型”。

蝙蝠的这种利用超声波定位测距的身体结构，是自然界中完美的生物声纳。

而雷达则模拟了蝙蝠的“回声定位”方法，只是不像蝙蝠那样用声波来定位和测距，而是改用传播速度最快的电磁波来进行定位和测距。

这篇课文主要讲科学家通过反复试验，揭开了蝙蝠能在夜间飞行的秘密，并从中受到启发，给飞机装上雷达，解决了飞机在夜间安全飞行的问题。

蝙蝠和雷达一文告诉我们许多道理:
1.动物身上有许多不为人知的秘密。

2.动物是人类认识和改造生活的有力帮手。

3.人类的智慧是可以通过研究探索提高的。

4.发明和创造需要无数科学家一代代付出艰辛的努力。

5.只要我们善于观察、研究和思考，大自然隐藏的无数秘密终将被人类揭开。

英国研究证明：说话基因帮蝙蝠回声定位与人类语言进化有关的一个基因同时对蝙蝠的回声定位产生了巨大影响一个与人类语言进化相关的基因可能同时帮助蝙蝠喊出了自己的声音。

根据一项新的研究，为了寻找猎物及躲避障碍物，不同种类的蝙蝠都会发出高频尖叫声，无一例外，它们都携带有一种高度变异的FOXP2基因，这意味着，这种基因在蝙蝠体内的遗传变化促进了其在功能上的进化。

FOXP2所编码的蛋白质似乎能够影响嘴部运动和语言能力之间的协调性。

2001年，这种基因第一次引起了科学家的关注——人们发现，它与说话和语言紊乱有关。

一年后，研究人员再度发现，FOXP2很可能在语言的进化中扮演了一个重要角色。

这种基因同时也对小鼠产生了影响：那些没有FOXP2的小鼠彼此之间无法利用超声波进行交流。

英国伦敦大学女王学院的遗传学家Stephen Rossiter和他的同事于是寻思，蝙蝠的进化是否也依赖于FOXP2基因。

相形之下，这些哺乳动物使人类的会话多少显得有些小儿科——在一种名为回声定位的行为中，蝙蝠必须使鼻、口、耳和喉协同工作，以便发出叫声和接收回声。

所有这些过程都是在飞行过程中机动完成的，而蝙蝠也正是依靠这些信号为自己导航。

Rossiter与中国上海华东师范大学的李钢（音译）和张树义及其同事合作，对13只蝙蝠（它们分属6类蝙蝠）所携带的FOXP2基因进行了测序，这些蝙蝠有的使用回声定位，有的则没有这种技能。

研究人员同时在其他23种哺乳动物——其中包括鸭嘴兽——以及2种鸟类和1种爬行动物体内寻找这种基因。

研究人员发现，与其他动物相比，蝙蝠的FOXP2基因序列所产生的突变是前者的2倍，这意味着迅速的进化。

此外，亲缘关系较近的蝙蝠——它们具有类似的超声波接受能力——趋向于发生相同的突变。

同时，这些遗传变化并不会被那些亲缘关系较远或不依靠回声定位的蝙蝠所共享。

某些蝙蝠具有与导致人类语言障碍的变异类似的遗传突变。

Rossiter指出：“我们的发现表明，FOXP2基因在蝙蝠的回声定位能力的进化与多样化过程中扮演了一个至关重要的角色。

蝙蝠超声与雷达摘要；所有教科书都是把雷达作为仿生学应用的典型事例，认为人们跟据蝙蝠能发射超声波，接收回波，进行空间定位，而发明了雷达，本文从雷达的工作原理说起，与蝙蝠的实际生活环境相对照，认为蝙蝠不可能采用雷达的空间定位原理，即根据回波判断距离，蝙蝠一定是用一种与雷达不同的原理进行空间定位的。

关健词，蝙蝠，超声，雷达技术，雷达的工作原理；现今大家都认为，科学家是根据蝙蝠发射超声波，在目标上产生反射波，被蝙蝠听到，于是就测定了目标的方位这一事实发明了雷达，並作为仿生学的一个典型放进教科书，但是，一种波动，例如光波，电磁波，声波，或水波在其行进路上遇到較大的物会产生反射，这一现象科学家早就知道，关键问题是怎样将采集到的回波进行处理，将其转换成能看到，听到或感觉到的有用信息，说科学家跟据蝙幅原理而发明雷达没有什么跟据。

先看雷达是如何工作的，举一个最基本的船用雷达为例，它有一个天线，这个天线既发射电波，也接收回波，它像机关炮速射似的向外发射电磁波，称为电磁脉冲，每放一炮，仃下来听回波，再放一炮，再听回波，每秒放几十炮，收几十次回波，它不仃地作360度转动，延海平面发射出一束像激光笔一样的电磁波，这个波束照到远处别的海船的就会产生反射，产生回波，被天线接收，经过放大器放大，送到一个雷达技术最关键的部件，阴极射线示波管，将天线所接收到的回波信息，转换成目视可见的周围环境的二维或三维光学图像，示波管的荧光屏上有一条扫描线，叫做时基线，它以荧光屏中心为原点，与天线同步也作360度旋转，天线转到什么方向，它就转到什么方向，当天线收到回波后会在时基线上产生一个亮点，回波延迟时问越长，时基线上的亮点离原点的距禹就越运，就是说它把延迟时转换成眼睛可以看得到的距离尺度，这样，当天线转了一圈以后，荧光屏上就能显示出海面上所有其它海船的位置。

现在着蝙蝠是如何工作的，实际上蝙蝠能发两种叫声，一种叫声同麻雀等小型鸟雀的叫声非常相似，频率为几千周，蝙蝠是群居生物，用这种叫声与同伙交流信息，尋偶，母蝙蝠觅食回来，在黑暗的洞穴中尋找幼仔，另一种才是超声脉冲，只有在飞行时才发出，频率50--100千周，像机关枪声，每秒几发到十几发（人耳听不到，仪器才能测到），用耳朶听回声，探测周围环境，捕猎食物。

颠覆传统概念的蝙蝠超声定位原理及盲人超声导航器达明辉电子学高级工程师摘要现今传统的蝙蝠超声定位原理认为，蝙蝠是靠发射超声脉冲，跟据回波脉冲的延迟时间，计算目的物的距离，超声定位，建立声学的三维空间图象，然而考察蝙蝠所处的生活环境，蝙蝠跟本不可能从众多的干扰声中听到自己的超声回波，也不能根据回波的延迟时间就能建立起声学的三维空间图像。

本文提出新的蝙蝠超声定位原理，蝙蝠发射超声脉冲，用耳接收超声回波，但蝙蝠的耳朵是听不见超声频率的，超声频率的回波讯号在它耳内被调制，转换成耳朵可听到的音频讯号，其频率与被探测对象的距离成正比，因而能即时判断被测目的物的距离，实行空间定位。

根据本原理，设计出一种简单实用高効，真正仿生学意义上的盲人超声导航器。

关键词：蝙蝠超声定位，盲人导航现今，所有的教科书都这样教导我们，蝙蝠发送超声脉冲，脉冲在目的物上反射回来，收听到回波讯号，蝙蝠跟据回波来回的时间就能算出目的物的方位和距离，实行空间定位，捕猎飞虫，但在洞穴中，周围的环境是封闭的，上下左右前后都有物体，不是只有一个物体，都会产生回波，这些回波都会重叠在一起，而且当距离很近时，这些回波回来很快，当距离为1米时，回波时间只有0.007秒，同自已发射的，强大的主波混在一起，怎么能分得清，特别是蝙蝠是群居生物，成千上万个蝙蝠同时大声呼叫，怎儿能在这么大的噪杂声中听到微弱的回声，就假定它有强大的防干扰能力，能在无数雷声般强大的主波脉冲声中听到细如蚊鸣的回波声，又怎么能知道那一个是自己的回波，怎么能实行定位功能，还有，蝙蝠要能在漆黑的洞穴中快速飞行，不仅仅是发射几个脉冲，测定前面物体的距离那么简单，它必须要发射无数个脉冲，进行一系列的计算，才能在头脑中建立一个声学的三维环境图像，才能安全，可靠地飞行。

人类製造的雷达，是一个庞大的电子工程，除了众多电子设备外还必须有一台强大快速的电腦，将周围环境反射回来的无数的回波讯息的延迟时间快速转换成距离，按雷达天线波束扫描的方向显示在雷达显示屏上，才能显示周围环境的地标图。

美科学家研发模仿蝙蝠的机器人将在没有GPS下飞行师法自然，是机器人研发重要途径之一。

人类目前已经有模仿夜猴跳跃能力的“跑酷”机器人，有模仿章鱼的软体机器人等等。

现在，这一大家族可以加入一个新成员——蝙蝠机器人。

当地时间2月3日，最新一期《Science Robotics》（《科学·机器人学》）的封面文章介绍了一款模仿蝙蝠飞行的机器人——蝙蝠机器人（Bat Bot B2）。

来自伊利诺伊大学厄巴纳－香槟分校和加州理工学院的研究员Alireza Ramezani、Soon－Jo Chung以及Seth Hutchinson，在过去的几年里，一直在研发这款蝙蝠机器人。

图1：蝙蝠的功能群（functional groups）。

图中列举了蝙蝠的关节角度和功能群组；利用这些功能群可以对蝙蝠飞行时四肢的复杂运动进行分类，以及提取主要的DOF并将它们结合到B2的飞行动力学中。

所选择的DOF通过一系列的机械约束和虚拟约束进行耦合。

以下图片翻译均来自新智元。

“蝙蝠的飞行能力是空中机器人梦寐以求的。

它们能执行复杂的飞行技能，比如颠倒栖息和快速转弯。

蝙蝠还有非常复杂的机翼运动，有超过40个关节和非常薄的膜翅膀。

”加州理工学院教授Soon－Jo Chung说。

蝙蝠是哺乳动物中唯一能用翅膀自主飞行的动物，飞行动作优雅且高效，还能做到中途悬停。

相比鸟类，蝙蝠可以说是自然界进化的奇迹。

每个支撑翅膀的骨头实际上都是超长的足趾，并由一层薄膜覆盖。

这样的特征给了蝙蝠一些鸟类不具有的天赋，让它在飞行中，具有难以置信的机动性，可用翅膀拦截昆虫。

蝙蝠另外一个令人羡慕的能力是夜视能力。

在黑夜里，无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞，即使一根极细的电线，它也能灵巧地避开，还能捕捉飞蛾和蚊子。

原因是它的飞行不靠眼睛，而是耳朵。

蝙蝠在飞行中可以一边飞，一边从嘴里发出一种声音。

这种声音叫做超声波，人的耳朵是听不见的，蝙蝠的耳朵却能听见。

超声波像波浪一样向前推进，遇到障碍物就反射回来，传到蝙蝠的耳朵里，蝙蝠就立刻改变飞行的方向。

关于蝙蝠的英语阅读理解
（原创版）
目录
1.蝙蝠的概述
2.蝙蝠的生态和行为特点
3.蝙蝠的回声定位能力
4.回声定位在雷达技术中的应用
5.蝙蝠回声定位对科学研究的启示
正文
1.蝙蝠的概述
蝙蝠是哺乳动物中最大的一类，它们拥有超过 1200 种不同的品种。

蝙蝠分布广泛，遍布全球各地，从寒带到热带都有它们的身影。

蝙蝠的体型小巧，通常体重在几克到几千克之间。

它们的前肢变成了翅膀，使它们能够在空中飞行。

2.蝙蝠的生态和行为特点
蝙蝠是夜行性动物，它们在夜间活动，白天则休息。

蝙蝠的食物多样，既有植物，也有动物。

一些蝙蝠以昆虫为食，如蚊子、蛾等；另一些蝙蝠则以果实、叶子、花蜜等为食。

3.蝙蝠的回声定位能力
蝙蝠具有独特的回声定位能力，可以通过发出高音调的声音，然后根据回声来定位周围环境和猎物。

这种能力被称为回声定位。

蝙蝠在回声定位过程中，能够判断物体的距离、形状和大小，从而有效地捕捉猎物和避免障碍物。

4.回声定位在雷达技术中的应用
蝙蝠的回声定位能力启发了人类发展雷达技术。

雷达是一种通过发射无线电波，然后根据回波来探测目标位置和速度的设备。

雷达技术的应用广泛，包括军事、航空、航海、气象等领域。

5.蝙蝠回声定位对科学研究的启示
蝙蝠回声定位的研究为人类提供了许多科学启示。

例如，科学家们通过对蝙蝠回声定位的研究，发现了生物学中的超声波现象。

此外，蝙蝠回声定位的研究还推动了信号处理、人工智能等领域的发展。

总之，蝙蝠不仅是一种有趣的哺乳动物，还是人类科学研究的重要模型。

模仿蝙蝠的回声定位作者：来源：《大自然探索》2023年第09期比利时感官生态学家西蒙，正在用自己在蝙蝠导航方面的知识和经验开发机器人的回声导航技术。

时间回到2007年3月的一个雨夜。

当时，还在读研究生的西蒙独自一人来到古巴的热带雨林中考察。

他先前在杂志上看到当地一种藤蔓植物的碟状叶子照片后，有了一个大胆的猜测：这种叶子应该有很强的声音反射能力，而且正是凭借这种能力，这种植物能够有效地引诱在黑暗中飞行的蝙蝠来为它们传粉。

为了找到证据，他专程来到这里，在热带雨林中寻找这种植物。

他带着红外摄像机和一堆零食，坐在那些互相缠绕的藤蔓植物中间，等待蝙蝠的到来。

蝙蝠真的“如约而至”，在短短一小时里就来了好几拨，整个晚上它们都飞来飞去，几乎没有间断过。

自那以后的几年里，西蒙多次回到同一地点采集这种植物的叶子标本，带回实验室测试，了解声音是如何从叶子上反射回来吸引住蝙蝠的。

西蒙的热带雨林之旅，让他找到了一种可以用来开发声呐导航潜力的新的解决方案。

他的构想是，模仿热带雨林中的这种碟状叶子以3D打印方式制作回声反射器。

通常，植物发出的回声都是断断续续的，但这种藤蔓的碟状叶子却能持续反射回声。

回声在黑暗中有着引导蝙蝠到藤蔓上授粉的强大吸引力，就像一座闪烁的灯塔为海上的航船指引着方向一样。

2006年，西蒙和他的研究小组发现，碟状叶子叶状结构的变化可导致发出不同模式的回声信号，而蝙蝠能够辨别这些细微变化，从而找到正确的导向目标。

5年后，西蒙的研究小组又发现，那种藤蔓植物的叶子在反射可清晰识别的回声信号方面反射能力强。

藤蔓的碟状叶子可长距离反射带有独特信号的回声，无论蝙蝠从哪个方向接近，信号都能保持一致。

这种藤蔓植物的叶子就相当于十分强大的天然声波信标，可将传粉蝙蝠搜索目标的时间缩短一半，并可过滤掉周围杂乱无章的其他回声信息。

受这种叶子结构原理的启示，研究小组决定制作大小不同的反射器，看是否能利用同样的原理来帮助机器人自主导航。

蝙蝠的回声定位研究综述摘要：蝙蝠的回声定位在强度、持续时间及频率等方面的变化模式显示出这类声学信号的多样性，而这种多样性与蝙蝠的捕食对策、声通讯、听觉系统、行为状态、生态位、性别等相关，它的精确性让人叹服，因此有很高的研究价值。

关键词：蝙蝠；回声定位；Abstract Changes, in the bat's echolocation, in the intensity, duration and frequency Show the diversity of this kind of acoustic signals. the diversity has something with bat's predation, voice communication, auditory system, performance status, ecological niche, gender, etc. we wonder at accuracy of bat's echolocation, so it has a high research value.1 回声定位概述回声定位及其意义蝙蝠在黑暗中飞翔是利用回声定位(Echolocation)进行导航的。

回声定位是一个复杂的，高度进化的过程，是一种动物对自身发射声波回声的分析，通过这种分析来建立其周围环境的声音“图像”。

蝙蝠有着发达的咽喉肌，能依次快速有力地收缩产生超声波，声波由或嘴传出，有的两者兼之，蝙蝠发出的超声波在三维空间中传播，其形式是以声波发出点的延长线为轴的圆锥体。

当声波遇到环境中的物体后就会以声波的形式返回，但此时声波的性质已经改变。

通过回声的接受和处理，蝙蝠不仅可以探测到运动物体的距离、方向和运动速率，还可以判断其大小、形状和结构，通过这些信息蝙蝠可以避开障碍物，识别和跟踪飞行中或栖息的猎物[1]。

回声定位机能对蝙蝠的生活是很重要的，回声定位系统的高度进化使得蝙蝠在空中又避开与大多数鸟类的竞争，开辟了独特的生态位—黑暗的天空，蝙蝠正是利用了这一优势使得种群生存和繁衍下来[2]。

3.3 超声与次声1.(2019.某某二模)【答案】D【解析】超声探伤仪是利用超声波的频率高和穿透力强制成的，超声波的频率在20000Hz以上，超出了人的听觉X围，因此人耳不能察觉，故D正确。

故选: D。

2.（）下列不属于超声波应用的是( )A.地震预报B.B超C.声呐【答案】 A【解析】A、地震预报技术是从地震监测、大震考察、野外地质调查、地球物理勘探、室内实验研究等多方面对地震发生的条件、规律、前兆、机理、预报方法及对策等的综合技术，和超声波无关。

故A符合题意: B、B超是利用超声来工作的。

故B不符合题意: C、声呐，又叫超声雷达，是依靠超声来实现距离的测量的，故C不符合题意;D、塑料焊接器又叫超声波塑料焊接器，是利用超声波工作的，故D不符合题意。

故选: A。

3.(2018淄川模拟)【答案】B【解析】A、利用超声波给金属探伤，属于利用声音传递信息，故A错误;B、利用超声波排除人体内的结石，属于利用声音传递能量，故B正确;C、倒车雷达发现障碍物，属于利用声音传递信息，故C错误;D、超声波导盲仪帮助盲人出行，属于利用声音传递信息，故D错误。

故选: B。

4.(2019.中考)如图所示，把正在响铃的闹钟放在玻璃罩内，逐渐抽出玻璃罩内的空气，听到闹铃声逐渐变小，直至听不见；再让空气逐渐进入玻璃罩内，听到闹铃声又逐渐变大。

关于上述实验，下列说法中正确的是（）A．空气可以传播声音B．只要闹铃振动，就可以听到铃声C．听不见闹铃声了，是由于闹铃不再振动D．听到闹铃声又逐渐变大，是由于闹铃振动逐渐变剧烈了【答案】A【解析】把正在发声的闹钟放在玻璃罩内，逐渐抽出罩内的空气，闹钟的声音会逐渐变小；当把空气全部抽空后听不到声音，再让空气逐渐进入玻璃罩，闹钟的声音会逐渐变大。

说明在真空中不能传播声音，声音必须通过介质才能传播。

故选：A5.（2019.某某中考）公共场所不要高声喧哗，这里的“高”是指声音的（）A．响度B．音调C．音色D．频率【答案】A【解析】我们应该避免在公共场所高声喧哗，这里的高声喧哗的“高”，是指声音的响度大。