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【论文故事】什么?螳螂也是跳跃高手!

时间:2015-03-06 22:00来源:网络 作者:未知 点击: 85次

众所周知,喵星人有着高超的跳跃技巧,跳向目标既快且准。但你知道身带两把“大刀”的螳螂也是跳跃高手吗?

螳螂:我,可是很会跳的噢!图片来源:Malcolm Burrows

剑桥大学和布里斯托大学的研究者发现,螳螂在跳跃时有着复杂的空中姿态,能通过自己腹部和前后腿间的配合转动来保持半空中的躯干稳定,并精准降落到目的地。研究论文今天发表在《当代生物学》上[1],这些结果也许会为未来小型机器人的设计提供启发。

论文的通讯作者马尔科姆·伯罗斯(Malcolm Burrows)告诉果壳网科学人,对动物运动时的生物力学分析,几乎从物理法则出现的时候就开始了——早在16世纪,达·芬奇就对人体的运动做了力学分析。“上世纪后半叶,米里亚姆·罗思柴尔德(Miriam Rothschild)和亨利·贝内特-克拉克(Henry Bennet-Clark)在跳蚤身上继续了这一分析,这样的工作至今一直有人做。”伯罗斯说,“在过去的几年中,我们在研究让昆虫跳跃的机制。起初我们并不相信螳螂也能跳,但当我们发现它们能多精准地跳向目标后,就想搞清楚它们是怎么做到的。”

一只六龄螳螂若虫,比例尺为10毫米。图片来源:研究论文

不过,真要分析起来,工作量可小不了。“我们拍摄并分析了所有年龄段的螳螂(1至8龄的若虫,雄性和雌性的成虫)跳跃的视频,以便清楚了解全年龄段都在使用的一般机制。随后,我们从中挑出有代表性的案例,更加详细地分析之,并对具体案例建立相应模型。”伯罗斯说道。他们最终选取了若虫态的螳螂进行分析,因为它们还没长出翅膀——仅这些幼年个体就有381段视频。“这项研究耗费了我们很长、很长时间来拍摄并分析它们的行为。”他感慨。


螳螂若虫在正常情况下向目标的跳跃。起跳后,它的腹部、前腿和后腿都在控制下发生了旋转,从而保持躯干(头部和胸部)在过程中保持稳定。视频来源:Malcolm Burrows

小组团队分别将螳螂的躯干(胸部)、腹部、前腿、后腿简化成线段,代入视频中以简化分析。“起跳时,螳螂腿部的推进给身体一个初始旋转量(initial spin)。”伯罗斯概括道,“在空中,三个旋转的身体部位——腹部、后腿和前腿——之间交换角动量(angular momentum),从而确保能以正确的朝向落向目标。”

受试螳螂自然跳跃时,躯干(黑色)、前腿(绿色)、后腿(橙色)与腹部(紫红色)与水平线夹角随时间的变化。测量间隔为1ms。黄色竖线标注离地时刻。原图片来源:研究论文

为了验证自己的模型,他们在螳螂的腹部动了些“手脚”,涂上一些胶水让其不能自如旋转。果然,这样的螳螂不再能够腿着地,而是头部摔在了目标上。

限制螳螂腹部正常动作后的跳跃示例。螳螂的腹部被黏住后不再能够自如卷曲,于是不再能正常地调整角动量,最后一头“栽”到了目标上。图片来源:Malcolm Burrows

生物界中类似这样对角动量守恒的应用比比皆是。举个例子,在立定跳远时,我们起跳时会向前挥舞手臂,这个动作提供了一部分初始角动量,让双腿迈得更远——即使重心的运动轨迹变化不大。跳水也一样。“跳水者在跳离跳板时会调整他们的重心,从而获得一个初始的角动量。就像螳螂一样。在空中,跳水者会通过扭转和转动来调整角动量。”伯罗斯对科学人说,“跳水的人比昆虫大太多了,所以他们用于调控角动量的机制也和昆虫不一样,但基本原理是相同的。”

螳螂的这项本领在昆虫中颇为拔群。伯罗斯告诉科学人:“很多昆虫在跃起后都会旋转,而这通常会让它们摔得很狼狈。不过,它们主要的关注点是尽快远离一些潜在危险(也许是捕食者)。因此逃离的速度是当务之急,跳跃的稳定性则被牺牲了。”换言之,许多昆虫不善于控制自己的着陆姿态,哪个部位都有可能着地——很多时候狼狈程度比腹部被黏住的螳螂更甚。不过,这也不无好处:“高速的旋转可能会让捕食者难以预测跳跃轨迹,从而增大存活几率。”伯罗斯说。

“螳螂是我们观察过的第一种会自行对空中旋转进行精确控制的昆虫。”伯罗斯向科学人介绍说,“螳螂用的这种炫酷策略应该能应用到昆虫样的跳跃机器人上。小型机器人目前还很难控制自己在半空中的旋转。螳螂为此类机器人的设计方法举出了例子。”

下一步,伯罗斯透露:“我们打算探究神经系统这类行为的调控上扮演的角色——螳螂是事先想好动作后再跳(前馈调控),还是在过程中迅速调整(反馈调控)?”相信结果会在未来的研究中得到揭晓。

(编辑:Calo)

参考文献:

  1. Burrows et al., Mantises Exchange Angular Momentum between Three Rotating Body Parts to Jump Precisely to Targets, Current Biology (2015), http://dx.doi.org/10.1016/j.cub.2015.01.054

文章题图:Malcolm Burrows

(责任编辑:泉水)
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