Вчені з Гарвардської Школи інженерних і прикладних наук імені Джона Полсона розробили пристрій, що наслідує пташиний спів. Воно дозволяє відтворювати складні пісні, що відрізняються великим діапазоном частот і різкою зміною тону. Також дослідники запропонували математичну модель, що описує механізм співу. Стаття опублікована в.
На відміну від ссавців, у птахів відсутні голосові зв'язки. Птахи співають за допомогою спеціального органу, розташованого в підставі трахеї - сирінкса. При продуванні повітря через сирінкс його стінки і козелок (порожній гортані) вібрують, що і створює звук. Птах може змінювати частоту звуку і його забарвлення, контролюючи натягнення мембран і діаметр бронхів. При цьому допустимий діапазон частот і швидкість переходів зазвичай досить великі, що дозволяє птахам виконувати складні пісні.
Тим не менш, фізика пташиного співу поки ще досліджена недостатньо докладно, і існуючі теоретичні моделі погано описують процеси, що відбуваються в ході співу. Наприклад, вони не в змозі пояснити широкий діапазон частот, доступних птахам. Крім того, не ясно, як саме птахи керують своїм співом. Ці питання вчені прояснили у своїй роботі, розробивши просту модель сирінкса і відтворюючи записи живих птахів.
Щоб зібрати механічний сирінкс, дослідники використовували тонку еластичну трубку (модуль Юнга близько 1 мегапаскаля) 2 сантиметри в довжину, 2,5 міліметра в діаметрі і з товщиною стінок 0,1 міліметра. Для моделювання зниження напору повітря в ході видиху у торця трубки був встановлений лічильник і регулятор потоку. Для імітації м'язів, що контролюють напругу стінок, використовувався мотор, що стискає і розтягує трубку. Мотор міг рухатися з частотою до 30 герц і амплітудою до 1 міліметра, що дозволило відтворити швидкі переходи в складних піснях. Варто зауважити, що справжній сирінкс набагато коротший (близько 1 міліметра в довжину) і м'який (модуль Юнга 1000 паскаль), ніж механічний, що призводить до різних швидкостей звуку в системах. Однак параметри були підібрані дослідниками таким чином, щоб видаються штучним і справжнім органом частоти були однакові.
Для перевірки механічного сирінкса вчені змоделювали пісні трьох різних видів птахів - віреона, бенгальського зяблика і зебрових амадин. Щоб відтворити тональну пісню віреону, мотор був поміщений близько до «рота» приладу (кінець трубки, протилежний тому, де встановили регулятор потоку водуха) і запрограмований на повільну зміну частоти. Для імітації співу бенгальського зяблика двигун помістили далі від торця, щоб викликати як тональні звуки, так і переливи. Випадок зебрових амадин був найбільш складним, оскільки їх спів відрізняється великим діапазоном частот і швидкими переходами. Дослідникам довелося зрушити мотор ще далі і змусити його швидко змінювати форму трубки, але повністю відтворити спів не вдалося через обмеження на максимальне лінійне прискорення двигуна. У двох інших випадках спектральна картина була відновлена практично точно.
Також вченими була запропонована проста математична модель, що дозволяє описати механізм зміни звуку. Вони вважали, що процеси, що відбуваються в ході співу, наближено описуються гармонічним осцилятором з повільно змінюваною частотою і загасанням, так що на коротких часових інтервалах параметри можна вважати постійними. Аналізуючи потім запис співу живого птаха, дослідники визначили, як ці параметри змінюються з часом. Особливо добре спосіб працював на тональних піснях віреона.
Вчені давно цікавляться механізмом пташиного співу. Наприклад, раніше вже пропонували описувати сирінкс як неконтрольований нелінійний самовідданий осцилятор. Також активно вивчалися фізичні властивості цього органу у птахів і робилися спроби штучно відтворити спів на зразках сирінксів, видобутих з птахів (). У новій роботі вчені показали, що складне завдання моделювання пташиного співу може бути розбите на набір більш простих біомеханічних завдань.