Människan har alltid varit fascinerad av delfiner. Men det var först på 1960-talet som forskarna upptäckte delfinernas ekolokaliseringssystem. Specialiserade strukturer i delfinernas näskomplex gör att de kan kicka iväg högfrekvent ljud, så kallat ultraljud, och genom ekot som studsar tillbaka avgöra vad för slags föremål ljudet träffat och var det befinner sig. Delfinerna använder dessa ljud och ekon för att navigera och leta upp sin mat men även för sina sociala kontakter. Att ljud transporteras mer än fyra gånger snabbare i vatten än i luft gör signalsystemet mycket effektivt.
– Delfinernas ekolokaliseringssystem är fantastiskt och har utvecklats till nära nog perfektion under miljoner år av evolution. Om vi lär oss hur det fungerar kan vi kopiera det och dra nytta av det, säger Josefin Starkhammar, universitetslektor vid avdelningen för Biomedicinsk teknik, som doktorerat på att mäta upp och karaktärisera delfinernas ekolokaliseringssignaler.
Som en komplex ficklampa
Delfinernas ljudsignaler består av klick – korta och för människor ohörbara ultraljudspulser som varar i cirka 70 mikrosekunder – som de skickar ut i sin omgivning. Enkelt uttryckt kan man säga att ljudsignalerna bildar en konformad ficklampstråle – gjord av ljud istället för ljus. Länge trodde forskarna att ljudstrålen är homogen och symmetrisk med en maxpunkt i mitten. Efter att ha studerat delfiner bland annat i Kolmården och samlat in tusentals klick med den bästa hydrofonteknik som finns att tillgå kom Josefin Starkhammar fram till något nytt.
– Mina mätningar visade att det fanns två ljudtoppar med olika ljudinnehåll i en och samma stråle, en längre ner och en högre upp i två överlappande strålkoner. Men kom de två frekvenstopparna samtidigt? Vi hade ingen metod för att undersöka det. Vi behövde utveckla en ny signalbehandlingsmetod för att förstå mer exakt vad som finns i ljudstrålen som delfinerna skickar ut och på så sätt få ledtrådar till hur de skapas.
Matematiskt trick
Josefin Starkhammar vände sig till Maria Sandsten, professor i matematisk statistik, som är expert på att undersöka signaler över tid och frekvens samtidigt. Uppgiften var extra utmanande eftersom delfinernas ljudsignaler är så korta, endast 70 mikrosekunder och har så få svängningar.
– Vi har utvecklat en algoritm som omfördelar energin i ljudpulsen och genom ett matematiskt trick visar oss hur många delvis överlappande pulser vi egentligen har i den sammansatta pulsen vi mätt upp. Genom den nya metoden ser vi mycket tydligt två frekvenstoppar som har olika plats i ljudstrålen och kommer med en mycket liten tidsförskjutning relativt varandra.
Det är eSSENCE, ett av Lunds universitets strategiska forskningsområden, som har finansierat utvecklingen av den här algoritmen.
– Det känns nästan som att vi har hittat en magisk formel, självklart bara ren vetenskap, som kan appliceras även på andra extremt korta signaler med överlappande pulser som annars är svåra att analysera. Det är det tvärvetenskapliga synsättet att förena biologi och teknik som gjort detta möjligt. Det är fantastiskt att helt plötsligt kunna se saker som tidigare varit dolda i signalen, säger Josefin Starkhammar och förklarar vad de nya forskningsresultaten innebär:
– Om strålen har de egenskaper som vår algoritm visar kan det bland annat innebära att delfiner redan i det första ekot från föremålet omedelbart skulle kunna höra hastigheten på föremålet genom att lyssna efter tidsskillnaderna mellan de två ljudtopparna inom ett och samma klick. Vi hoppas snart kunna testa om det stämmer.
Bygga tredimensionell datamodell
Nästa steg i Josefins forskning är att modellera hur den sammansatta ljusstrålen kan tänkas genereras inne i delfinernas huvud. Hon samarbetar bland annat med US Navy. Den amerikanska flottan arbetar med många delfiner och speciellt en ”forskningsdelfin” har tränats specifikt för att genomgå en röntgenundersökning. Med hjälp av dessa röntgenbilder i 3D – det enda datasetet i sitt slag i världen erhållet från levande delfiner – är målet att bygga en komplett datormodell av en delfin. Och med hjälp av modellen sedan räkna ut hur anatomin formar och skapar ljusstrålen.
– US Navy har gett mig exklusiv tillgång till det här oerhört värdefulla och påkostade datasetet. Om jag inom kort lyckas attrahera finansiering för modelleringsdelen i projektet, kommer vi att kunna ta det här forskningsområdet ett stort steg framåt, säger Josefin Starkhammar.
Hur kan då hennes forskning komma till nytta i framtiden?
Josefin är övertygad om att vi har mycket att lära oss av delfinerna och att vi så småningom kan kopiera det de gör. Hon tror att kunskapen är viktig för att på olika sätt kunna skydda delfiner, till exempel från störande ljud från mänskliga aktiviteter till havs. Vissa delfinarter lever på utrotningens gräns – många fastnar och drunknar i fiskenät som deras ekolokalisering inte kan detektera.
– Med mer exakt förståelse för hur ekolokaliseringen fungerar tror jag att vi kan rädda dem. Men det är en kamp mot klockan. Jag tror också att min forskning kommer att kunna användas i mer eller mindre alla tillämpningar som använder puls-eko-principen. Det kan vara ekolod för båtar och medicinsk diagnostik med ultraljudsmaskiner. Ett annat område är inom oförstörande materialprovning där ljud kan användas på befintliga konstruktioner. Genom att undersöka hur ljud påverkas under sin färd genom konstruktionen kan man få reda på många egenskaper hos materialet utan att behöva såga upp det för att komma åt att undersöka insidan.
*US Navy använder delfiner på ungefär samma sätt som vi använder bevaknings- eller sökhundar på land. Delfiner kan tränas till alla möjliga uppgifter som till exempel att bevaka strategiskt viktiga områden under vatten eller hitta minor. De är mycket snabbare, mer precisa och effektivare än hittills alla människotillverkade alternativ. Dessutom är det som en lek för delfinerna.
Text: Liselotte Fritz
