果蠅飛行時(shí)轉(zhuǎn)向肌肉中的熒光鈣信號。圖片來自:Dickinson實(shí)驗(yàn)室/《自然》
科技日報(bào)記者?張夢然
《自然》雜志18日發(fā)表的一項(xiàng)研究稱，美國加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)結(jié)合成像技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)建模和機(jī)器人飛行，首次揭示了昆蟲翅膀鉸鏈的工作原理。對這種復(fù)雜關(guān)節(jié)的分析，或促進(jìn)人們理解飛行演化過程，帶來仿生學(xué)和生物力學(xué)的創(chuàng)新。
昆蟲是最早演化出飛行能力的動物。它們的翅膀與翼龍、鳥和蝙蝠等其它飛行動物有區(qū)別。昆蟲的翅膀不是從四肢演化而來，而是用一種獨(dú)特的復(fù)雜鉸鏈連接翅膀和身體。這種鉸鏈?zhǔn)且粋€(gè)由名為“骨片”的五個(gè)復(fù)雜元素組成的連鎖系統(tǒng)，這些骨片能與肌肉相互作用，幫助翅膀扇動。
不過，翅膀鉸鏈的力學(xué)機(jī)制非常神秘，因?yàn)槌岚蚋康乃膫€(gè)關(guān)鍵骨片很難從外部進(jìn)行可視化，它們的移動速度很快，拍攝的照片不夠清晰。
科學(xué)家團(tuán)隊(duì)此次將整組骨片控制肌肉的實(shí)時(shí)鈣成像與同步3D超高速攝像相結(jié)合，捕捉到果蠅在一個(gè)電子飛行模擬器中飛行時(shí)的翅膀運(yùn)動。他們在7.2萬多次翅振數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了一個(gè)骨片肌肉如何控制翅膀運(yùn)動的模型，再用一次微型機(jī)器人飛行測量了這些骨片肌肉的空氣動力學(xué)作用。這個(gè)模型隨后用一次自由飛行的物理模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，其對骨片肌肉活動的調(diào)整，囊括了自由飛行的所有已知操控。
這些結(jié)果共同提出了一個(gè)可信的鉸鏈物理機(jī)制，以及可供進(jìn)一步驗(yàn)證的多個(gè)假說。此外，隨著果蠅神經(jīng)連接詳細(xì)圖譜的完成，團(tuán)隊(duì)期待他們的結(jié)果能促進(jìn)對昆蟲飛行控制環(huán)路的更深理解。
總編輯圈點(diǎn)
會飛的小蟲子可說是生活中最常見的“人類伙伴”了，但我們居然一直沒有弄清楚它們是怎么實(shí)現(xiàn)飛行的。不過細(xì)想一下，鳥類的翅膀有復(fù)雜的肌肉組織和骨骼與身體自然相連，但昆蟲薄到透明的翅膀是靠什么機(jī)制和身體連接傳動的呢？這就是本文科學(xué)家研究的課題。解剖一個(gè)小飛蟲，并不能徹底了解它運(yùn)動時(shí)的奧妙，但憑借AI、成像、動力學(xué)等多手段的捕捉和分析，這個(gè)秘密解開了。
