98%准确率！蝙蝠机器人揭秘：靠回声定位秒辨树叶猎物

生物学家与工程师联手打造了一款新型蝙蝠机器人，助力人类理解真实蝙蝠如何利用回声定位捕猎。通过模拟蝙蝠飞行路径，该团队揭示了蝙蝠如何快速判断猎物是否藏在树叶上。这项从蝙蝠视角展开的研究，近期发表在《实验生物学杂志》上。

研究由史密森尼热带研究所助理研究员、蝙蝠科学家Inga Geipel牵头。机器人的测试表现基本验证了她对蝙蝠行为的假设，这让她倍感欣慰——并非为自己，而是为这些毛茸茸的研究对象。

“我永远站在蝙蝠这边，”Geipel对《大众科学》表示，“它们总能出乎我的意料，比我想象的更聪明。”

一、蝙蝠的回声定位：用“声音”构建世界

蝙蝠通过回声定位导航和捕猎：这种有翼哺乳动物从口中发出快速的滴答声，倾听声音碰到附近物体（包括潜在猎物）后的回声。通过解读回声的时间和强度，蝙蝠能构建出周围环境的详细“声学图像”。

这种基于声呐的感知方式，类似自动驾驶汽车用激光雷达（LiDAR）绘制周边环境地图。但自动驾驶汽车需要数十个摄像头和传感器协同工作，而蝙蝠仅凭两只耳朵和一张嘴，就能凭直觉完成同样的任务。

尽管科学家早已知道蝙蝠会用回声定位，但一直不清楚它们在真实环境中如何具体运用——尤其是在茂密的丛林和雨林里，无数空树叶吸引着饥饿蝙蝠的注意力，情况更为复杂。

二、20年研究：走进蝙蝠的“声音世界”

为深入蝙蝠的世界，团队基于Geipel近20年的研究成果展开工作。她对蝙蝠的痴迷始于一次偶遇：看到一只蝙蝠在漆黑的夜空中灵巧翻飞。同时，Geipel一直热爱音乐和声音，这些生物能用感官以人类无法理解的方式“看”世界，这让她深深着迷。她希望自己的研究能揭开这种“认知盲区”。

“通过声音感知世界是一种与人类完全不同的感官系统，”Geipel说，“蝙蝠能在完全黑暗中飞行，这太令人着迷了。”

此次蝙蝠机器人研究，堪称Geipel博士阶段蝙蝠觅食研究的“精神续作”。早期研究显示，大耳蝠（Micronycteris microtis）最初会以特定角度靠近树叶，让声呐信号像“回声定位镜子”一样从光滑的树叶表面反射；而有昆虫等猎物的树叶会散射声呐，让蝙蝠接收到更强的回波——对蝙蝠来说，更强的回声意味着一顿美味的午餐。

但这个理论存在一个现实问题：若按此机制，蝙蝠似乎需要了解每片树叶的方向和位置，无论是否有猎物。在森林中，饥饿的蝙蝠会被无数树叶的回声干扰，陷入“分析瘫痪”，根本没时间判断最佳接近角度。

“行为实验已经提出了蝙蝠如何找到有猎物的树叶，但我们想验证这种解释是否真的能支撑它们的行为，”论文合著者、辛辛那提大学生物学、机械工程与电气工程副教授Dieter Vanderelst表示。

于是，蝙蝠机器人的想法应运而生：它作为真实蝙蝠的“机械替身”，让研究人员分析蝙蝠如何接近有/无猎物的树叶。为此，团队集结了生物学和工程学专家，这种跨学科合作并不常见。Geipel说，团队融合了生物学家的知识和工程师的物理建模能力。

“通过将蝙蝠的觅食策略植入机器人并在现实中测试，我们能验证这种简洁优雅的方案，是否能在复杂声学环境中奏效，”Vanderelst补充道。

三、机器人设计：重功能轻外形，98%识别准确率

设计机器人时，团队希望系统能精准模拟蝙蝠的自然觅食技巧，同时避免不必要的复杂结构。最终的蝙蝠机器人“重功能、轻外形”：它由机械臂构成，内置模拟蝙蝠叫声的声呐发射器，臂末端的双耳式麦克风充当“耳朵”。

整个装置安装在9.8英尺（约3米）长的线性轨道上，模拟高度浓缩的飞行路径，甚至能放进一间小办公室。Geipel笑称，她原本想给机器人加个活动眼珠，但为了专业起见最终放弃了——显然，没人会把它当成真蝙蝠。

实验中的“树叶”是3D打印的硬纸板，部分树叶中心固定着3.5英寸（约9厘米）长的3D打印纸板蜻蜓，代表潜在猎物。机器人沿轨道移动，每隔0.5秒发射一次声呐脉冲，生成的信号数据形成“回声包络”，无线传输到控制机械臂的电脑中。

团队共进行了45多次试验，让机器人飞过不同配置的树叶（有/无猎物）。系统表现出色：成功识别有猎物的树叶的准确率达98%，误将空树叶判断为有猎物的概率仅18%。

关键发现是：蝙蝠机器人无需预先评估树叶的方向或角度，就能完成识别。它遵循一个简单逻辑：追踪超过特定阈值的强而稳定的回声，忽略不达标的回声。

尽管研究针对大耳蝠，但团队希望能将成果应用于其他蝙蝠物种。

四、蝙蝠启发的机器人：从飞行到声呐导航

蝙蝠早已成为机器人研发的灵感来源：

2017年，特拉维夫大学工程师开发了“Robat”机器人，这是首款完全依靠回声定位导航的自主轮式设备。它虽不会飞，但配备超声波扬声器，每30秒发出类似蝙蝠的叫声，通过机载机器学习模型处理回声，实时识别并避开障碍物。

更早之前，加州理工学院和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员设计了“Bat Bot”，这是一款重3.2盎司（约93克）的蝙蝠机器人，拥有可活动的柔性翅膀。其核心创新是人造翅膀能在扇动时改变形状，与真实蝙蝠翅膀类似，这通过定制的超薄硅胶膜实现。

相比之下，Geipel团队的机器人在视觉上或许没那么惊艳，但它的功能为研究人员提供了更丰富的数据，能更细致地理解真实蝙蝠的行为。

展望未来，Geipel表示团队希望将研究扩展到更多蝙蝠物种，探索蝙蝠如何区分树叶上的不同猎物。她说，对蝙蝠的研究仍处于“冰山一角”，还有太多未知等待发现。

“我们只是刚刚触及表面。”