La svolta nella navigazione dei pipistrelli che potrebbe cambiare il modo in cui volano i droni

Sappiamo tutti che i pipistrelli sono i padroni della notte, con i loro richiami acuti e le ali silenziose, che si snodano tra alberi aggrovigliati e piombano sugli insetti nell’oscurità più totale. Ma esattamente come riescano a prendere decisioni in una frazione di secondo in ambienti così complessi è rimasto un mistero, non solo per i non addetti ai lavori, ma anche per gli scienziati.

Ma un nuovo studio fa luce su questa domanda. Rivela che i pipistrelli non si limitano ad ascoltare gli echi come pensavamo una volta, ma usano anche qualcosa chiamato velocità del flusso acustico per giudicare la loro velocità e l’ambiente circostante in tempo reale. Non solo questa scoperta è interessante ed entusiasmante per gli appassionati di pipistrelli, ma potrebbe avere una portata molto più ampia: sta già influenzando il modo in cui gli ingegneri pensano alla progettazione di droni in grado di volare attraverso foreste e città senza schiantarsi.

Il problema: troppe informazioni sull’eco

Quando un pipistrello emette un suono, quel suono colpisce gli oggetti nell’ambiente e rimbalza sotto forma di echi. Nello spazio aperto con pochi ostacoli, un pipistrello può usare questi echi per dire dove si trova qualcosa e quanto lontano potrebbe essere. Ma in ambienti disordinati come le foreste, un singolo suono può rimbalzare su dozzine o addirittura centinaia di foglie, rami e tronchi contemporaneamente. Ciò crea un caos caotico di echi che travolgerebbe i sensi di qualsiasi animale se cercasse di analizzare individualmente ogni rimbalzo di ritorno.

Immagina di gridare in un canyon e di cercare di individuare quale tra centinaia di echi di ritorno è quello importante. È travolgente e per un pipistrello che vola a 20 miglia all’ora o più, non c’è tempo per ordinare tutti quei dati. Pertanto, i ricercatori sospettano da anni che i pipistrelli debbano utilizzare una strategia più intelligente per interpretare gli echi.

La grande idea: velocità del flusso acustico

Il concetto su cui si è concentrato il team è la velocità del flusso acustico. È un po’ come il flusso ottico, il segnale visivo che gli esseri umani e gli altri animali utilizzano per comprendere il movimento. Quando sei in macchina, gli alberi e le linee stradali sembrano correre più velocemente man mano che vai veloce, anche se è l’auto a muoversi e questi oggetti sono fermi. Quel cambiamento nella velocità della scena visiva è il flusso ottico.

I pipistrelli non hanno questo tipo di informazioni visive di notte, quindi gli scienziati si sono chiesti se potessero invece utilizzare cambiamenti equivalenti nel suono. Mentre un pipistrello vola, gli echi che ritornano dall’ambiente cambiano nei tempi e nella frequenza a seconda della vicinanza degli oggetti e della velocità con cui si muove il pipistrello. Questi cambiamenti creano una sorta di “flusso sonoro” che il pipistrello può ascoltare e interpretare.

Una parte fondamentale di quel flusso sonoro è qualcosa chiamato spostamento Doppler. Quando un’ambulanza ti passa accanto con la sirena a tutto volume, il tono sembra più alto quando si avvicina e più basso quando si allontana. Questo è lo spostamento Doppler in azione. I pipistrelli potrebbero utilizzare spostamenti simili nelle frequenze dell’eco che sentono per giudicare il movimento rispetto all’ambiente circostante.

Testare l’idea: la macchina acceleratrice del pipistrello

Per verificare se i pipistrelli utilizzano davvero la velocità del flusso acustico, i ricercatori dell’Università di Bristol hanno costruito un ingegnoso apparato sperimentale che hanno soprannominato Bat Accelerator Machine, un corridoio di volo lungo 26 piedi fiancheggiato da quasi 8.000 minuscoli riflettori acustici che imitavano gli echi che si otterrebbero dalle foglie su una siepe.

Nel corso di tre notti, il team ha registrato 181 traiettorie di volo dei pipistrelli comuni mentre volavano attraverso questo corridoio. Di questi, i pipistrelli hanno volato per l’intera lunghezza dell’apparato 104 volte. In quei voli è stato analizzato il modo in cui i pipistrelli rispondevano ai cambiamenti nel flusso acustico.

Una caratteristica dell’installazione è che i ricercatori potrebbero manipolare il flusso percepito del suono. Spostando i riflettori nella direzione opposta a quella in cui volava il pipistrello, facevano sembrare che il flusso sonoro stesse “accelerando” rispetto al movimento del pipistrello. Quando spostavano i riflettori nella stessa direzione del pipistrello, sembrava che il flusso acustico stesse rallentando.

I pipistrelli hanno risposto a queste manipolazioni in modo sorprendente. Quando il flusso acustico veniva aumentato, i pipistrelli rallentavano fino a circa il 28% rispetto alla variazione indotta nel flusso sonoro. Quando il flusso si riduceva, i pipistrelli acceleravano.

In termini più semplici, i pipistrelli hanno trattato i cambiamenti nel flusso acustico proprio come farebbero con un cambiamento nel loro movimento reale. Un flusso sonoro più veloce li faceva rallentare, come se percepissero di muoversi più velocemente di quanto non fossero in realtà. Al contrario, e costantemente, un flusso sonoro più basso li faceva andare più veloci, come se percepissero di muoversi più lentamente di quanto non fossero in realtà. Ciò suggerisce fortemente che i pipistrelli stiano ascoltando non solo da dove provengono gli echi, ma anche come cambia lo schema del suono mentre volano.

Ciò aiuta a rispondere alla domanda su come i pipistrelli si muovono senza dover scomporre ogni singolo eco in una mappa ordinata. Invece, si sintonizzano su fluire di informazioni sonore intorno a loro e usarle come spunto per guidare i loro movimenti. Da un punto di vista biologico, questa scoperta aiuta a spiegare come i pipistrelli siano in grado di compiere imprese di volo così impressionanti. Possono sfrecciare tra gli alberi, schivarsi a vicenda in volo e prendere decisioni in una frazione di secondo nell’oscurità perché non stanno cercando di costruire una mappa completa di ogni ramo dell’albero.

Lezioni di Tecnologia e Droni

Il mondo della tecnologia è affascinato da anni dalla navigazione animale. Robot e droni lottano molto con gli stessi problemi che i pipistrelli affrontano ogni notte. Gli attuali droni autonomi spesso si affidano a telecamere, sensori laser o GPS. Questi strumenti possono funzionare bene in spazi aperti o ambienti controllati, ma hanno difficoltà in fitte foreste, canyon urbani o luoghi con scarsa illuminazione o segnali GPS.

È qui che entra in gioco il flusso acustico. Un sistema modellato su ciò che fanno i pipistrelli potrebbe fornire ai droni un modo per percepire il movimento attraverso spazi disordinati senza bisogno di una mappa visiva o GPS completa. Ascoltando come i modelli sonori cambiano mentre si muovono, i droni potrebbero essere in grado di apportare modifiche in tempo reale per evitare ostacoli.

Alcuni ricercatori stanno già esplorando questa idea. Esistono i primi prototipi di sistemi per piccoli droni che utilizzano sensori a ultrasuoni ispirati all’ecolocalizzazione dei pipistrelli per stimare la velocità ed evitare collisioni in spazi ristretti. Le strategie di navigazione dei pipistrelli potrebbero accelerare questo lavoro e rendere il volo autonomo nelle foreste o negli ambienti urbani più sicuro e affidabile.

Lezioni su come muoversi in mezzo alla folla

Alla fine, la vera sorpresa non è solo il fatto che i pipistrelli siano bravi a volare nell’oscurità – lo sapevamo già – ma l’eleganza con cui lo fanno. Invece di decodificare ogni eco come un puzzle, ascoltano il movimento complessivo del suono e lo regolano al volo. È quasi l’opposto letterale di non vedere la foresta per gli alberi. A volte il modo più intelligente per attraversare un mondo affollato non è capire tutto quello che hai di fronte, ma sentire il flusso e muoverti con esso.