Människor, och de flesta andra däggdjur, har bara fyra muskler som förenar öronen med huvudet. Fladdermöss har mer än 20, och de använder dem för att utföra en exakt serie vickningar, svängar, och ryckningar.

"På en tiondel av en sekund, tre gånger så snabbt som du kan blinka med ögonen, fladdermössen kan ändra formen på sina öron, "sa Rolf Mueller, docent i maskinteknik vid Virginia Tech.

Mueller är huvudförfattare till en ny studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev , visar att dessa snabba, exakta rörelser ligger till grund för fladdermössens förmåga att ta sig igenom sin värld.

Bat ekolokalisering är en av naturens anmärkningsvärda prestationer inom navigering.

Dessa kvicka, nattliga däggdjur avger ultraljudspulser från munnen eller näsan, beroende på art; vågorna studsar mot föremål i miljön och plockas upp igen av fladdermössens öron. De reflekterade vågorna kodar data om fladdermössens omgivning, hjälpa dem att navigera och jaga i mörker, fullt med folk, farliga miljöer.

Forskare förstår ännu inte helt hur detta biosonarsystem uppnår sin utomordentliga noggrannhet. Fladdermusen får bara två inkommande signaler, en i varje öra, och måste konstruera en tredimensionell karta som är tillräckligt detaljerad för att de ska kunna glida genom täta skogar och rutinmässigt utföra osannolika sensoriska uppgifter – för att skilja en nattfjärils vingslag från ett lövs fladder, till exempel.

En pusselbit är den invecklade strukturen i fladdermössens öron, som hjälper till att forma inkommande pulser. För näsemitterande arter som hästskofladdermössen som Mueller studerar, på liknande sätt utsmyckade strukturer som kallas näsblad fungerar som megafoner för att förstärka och forma utgående signaler.

Nu, Mueller har funnit att rörelser i öronen och näsbladen hjälper, för, genom att packa in extra information i varje ultraljudspuls som fladdermössen får.

Under de senaste åren har hans grupp har visat att dessa snabba rörelser förändrar ultraljudsvågorna som lämnar näsan och ekon som kommer in i öronen.

Den nya studien är den första som visar att dessa förändringar berikar signalernas informationsinnehåll. Särskilt, Mueller och hans kollegor visade att öronen och näsbladenas förmåga att anta olika konformationer ökar fladdermössens förmåga att lokalisera källan till inkommande signaler.

För att testa om rörelsen hos hästskofladderöron och näsbladen förbättrar deras biosonära prestanda, teamet genererade två modeller för varje struktur:en beräkningsmodell och 3-D-utskriven kopia av näsbladet och en beräkningsmodell och förenklad fysisk kopia av örat.

Var och en av de fyra modellerna testades i fem olika konfigurationer, simulera formförändringarna under biosonarutsändning och mottagning.

Forskarna fann att var och en av de fem konfigurationerna gav en betydande mängd unik akustisk information. Ju längre ifrån varandra två konfigurationer var, ju större skillnaden är i signalerna, tyder på att dessa formändringar spelar en meningsfull roll när det gäller att tillhandahålla mer detaljerad data.

För att undersöka om denna ytterligare information kan vara användbar för ekolokalisering, forskarna analyserade om en kombination av data från alla fem konfigurationer förbättrade en sensors förmåga att lokalisera källan till en ljudvåg.

Det gjorde det:genom att kombinera fem olika konfigurationer kontra i genomsnitt fem signaler från samma konfiguration ökade det maximala antalet riktningar sensorn kunde skilja med en faktor 100 till 1000, beroende på ljudnivån.

Den förbättrade prestandan var konsekvent för alla fyra modellerna.

"Det jag tyckte var fantastiskt var att effekten var mycket robust, även med de förenklade modellerna, "Sa Mueller." Du behöver inte återge alla detaljer om den riktiga fladdermusen för att se effekten av rörelsen. "

Det tyder på att förstärka sensorförmågan genom att använda en dynamisk, mobil sändare och mottagare ska kunna översättas till konstruerade system som är mindre komplexa än riktiga fladdermöss, förbättra navigeringen av autonoma drönare och noggrannheten hos enheter för taligenkänning.

Riktningsupplösning är sannolikt bara en funktion av öronens och näsbladens snabba rörelse, och fladdermössen behöver mer än bara riktningen för inkommande signaler för att navigera genom snår och jaga i trånga svärmar.

För att undersöka andra aspekter av biosonarprestanda, Mueller och hans team förädlar och uppdaterar sina modeller och införlivar nya fladdermusarter i sina studier.

"Det finns alltid en nästa version, " han sa.