Ученые сделали искусственную певчую птицу. Из резиновой трубки и моторчика

Песни зебровых амадин отличаются большим диапазоном частот и быстрыми переходами

Wikimedia commons

Ученые из Гарвардской Школы инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона разработали устройство, подражающее птичьему пению. Оно позволяет воспроизводить сложные песни, отличающиеся большим диапазоном частот и резкой сменой тона. Также исследователи предложили математическую модель, описывающую механизм пения. Статья опубликована в Journal of the Royal Society Interface.

В отличие от млекопитающих, у птиц отсутствуют голосовые связки. Птицы поют с помощью специального органа, расположенного в основании трахеи — сиринкса. При продувании воздуха через сиринкс его стенки и козелок (выступ в нижней гортани) вибрируют, что и создает звук. Птица может менять частоту звука и его окраску, контролируя натяжение мембран и диаметр бронхов. При этом допустимый диапазон частот и скорость переходов обычно довольно велики, что позволяет птицам исполнять сложные песни.

Тем не менее, физика птичьего пения пока еще исследована недостаточно подробно, и существующие теоретические модели плохо описывают происходящие в ходе пения процессы. Например, они не в состоянии объяснить широкий диапазон частот, доступных птицам. Кроме того, не ясно, как именно птицы управляют своим пением. Эти вопросы учёные прояснили в своей работе, разработав простую модель сиринкса и воспроизведя записи живых птиц.


Чтобы собрать механический сиринкс, исследователи использовали тонкую эластичную трубку (модуль Юнга около 1 мегапаскаля) 2 сантиметра в длину, 2,5 миллиметра в диаметре и с толщиной стенок 0,1 миллиметра. Для моделирования снижения напора воздуха в ходе выдоха у торца трубки был установлен счетчик и регулятор потока. Для имитации мышц, контролирующих напряжение стенок, использовался мотор, сжимающий и растягивающий трубку. Мотор мог двигаться с частотой до 30 герц и амплитудой до 1 миллиметра, что позволило воспроизвести быстрые переходы в сложных песнях. Стоит заметить, что настоящий сиринкс гораздо более короткий (около 1 миллиметра в длину) и мягкий (модуль Юнга 1000 паскаль), чем механический, что приводит к различным скоростям звука в системах. Однако параметры были подобраны исследователями таким образом, чтобы издаваемые искусственным и настоящим органом частоты были одинаковы.

Для проверки механического сиринкса ученые смоделировали песни трех различных видов птиц — виреона, бенгальского зяблика и зебровых амадин. Чтобы воспроизвести тональную песнь виреона, мотор был помещен близко ко «рту» прибора (конец трубки, противоположный тому, где установили регулятор потока водуха) и запрограммирован на медленное изменение частоты. Для имитации пения бенгальского зяблика двигатель поместили дальше от торца, чтобы вызвать как тональные звуки, так и переливы. Случай зебровых амадин был наиболее сложным, поскольку их пение отличается большим диапазоном частот и быстрыми переходами. Исследователям пришлось сдвинуть мотор еще дальше и заставить его быстро менять форму трубки, но полностью воспроизвести пение не удалось из-за ограничений на максимальное линейное ускорение двигателя. В двух других случаях спектральная картина была восстановлена практически точно.


Также учеными была предложена простая математическая модель, позволяющая описать механизм изменения звука. Они считали, что процессы, происходящие в ходе пения, приближенно описываются гармоническим осциллятором с медленно изменяющейся частотой и затуханием, так что на коротких временных интервалах параметры можно считать постоянными. Анализируя затем запись пения живой птицы, исследователи определили, как эти параметры меняются со временем. Особенно хорошо способ работал на тональных песнях виреона.

Ученые давно интересуются механизмом птичьего пения. Например, ранее уже предлагали описывать сиринкс как неконтролируемый нелинейный самовозбуждающийся осциллятор. Также активно изучались физические свойства этого органа у птиц и предпринимались попытки искусственно воспроизвести пение на образцах сиринксов, добытых из птиц (in vivo). В новой работе ученые показали, что сложная задача моделирования птичьего пения может быть разбита на набор более простых биомеханических задач.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.