客机降落都要跑道,鸟儿凭什么能想停哪就停哪?
林菁菁 发表于 - 2019/12/27 13:35:00
只要稍微观察一下飞翔的小鸟、蝙蝠和昆虫,就会发现这些生物可以娴熟且毫不费力地在各种表面着陆和起飞,无论是树枝、电话线、花朵还是岩石。相比之下,客运飞机通常需要又长又平的跑道才能完成同样的任务,即便如此,起飞或降落也容易发生事故。随着航空无人机的应用场景不断增多1-4,小型无人机在空气动力学和能源效率上面临种种挑战5,研究人员想要开发出新的无人机设计,提高它们在一系列复杂表面的着陆成功率。Roderick等人6在《eLife》上发表的文章分析了太平洋鹦哥(Forpus coelestis)如何在不同种类的栖木上降落,为这些鸟类的着陆方式提供了新见解。

之前的研究7通过分析鸟类、蝙蝠和陆地哺乳动物的脚和爪子,研究了这些脊椎动物是如何抓住物体表面的。这项研究采用的方法包括用来确定足、趾和爪几何形状的比较形态学分析、动物运动研究(名为描述运动学)或静态握力测试。从分析中可以看出,动物的爪形随动物体型大小,以及它们在自然环境中的常规用爪方式而异。比如,用于地面奔跑和转换方向的爪子通常比用于攀登的爪子更深、弯曲度更小。但是,动物如何利用脚和爪子的力量支持它们平稳着陆,比如鸟儿如何在树枝上停留等,仍缺乏动力学和力量方面的研究。

太平洋鹦哥是一种树栖鸟类,原产于厄瓜多尔和秘鲁的山林中。Roderick等人研究了这种鸟在七种直径和纹理各异的天然或人工栖木上的着陆方式(图1),包括粗糙、柔软和光滑的表面。研究人员一共测试了三种树的枝桠,其中一种树名为异木绵(Ceiba speciosa),多见于这种鸟类的自然栖息地。

为了能独立测量栖木的前后着陆面,作者将栖木分为两半,各自固定在一个力与力矩传感器上,记录鸟儿感受到着陆力和旋转暴力的时间和特征;两种力量都受到着陆方法的影响。作者还测量了鸟儿着陆时脚和爪子产生的挤压力。将这些测量数据与鸟儿翅膀、身体、腿、脚和爪子着陆运动的近距离高速视频记录相结合,可知与稳定栖停相关的着陆过程的详细信息(论文视频参见go.nature.com/2nbfhtq和go.nature.com/2perfs9)。


作者报告说,鸟类在任何一个特定的栖木上着陆时,其翅膀和腿的运动方式是一致的,着陆力和旋转暴力在每个着陆过程的时间范围内会统一变化。这种着陆策略符合之前的研究结果8,9,即鸟类和昆虫利用视觉线索接近着陆目标,以便调整自己的身体姿势,在估计的时间内与着陆面接触。


着陆的最初阶段是预测阶段,随后是快速调整阶段。这可能需要来自鸟类皮肤、肌肉和关节感受器的本体感觉反馈,以及它们与神经系统的交流,因为鸟类需要挤压栖木、在栖木表面拖动脚垫和爪子,以实现稳定的抓握。Roderick和同事利用激光扫描和压痕测试来评估栖木表面特征的变化,将鸟类脚趾和爪子感受到的摩擦力与其抓握动作关联起来,并显示鸟儿如何通过调整爪子,锚定在直径和表面特征各不相同的栖木上。


对于较难抓住的栖木表面,比如大直径的栖木或着陆摩擦小的栖木,鸟儿爪子的弯曲程度会更大。在这个抓握阶段,脚趾感受到的摩擦力(对于一定类型栖木来说是高度一致的)随后会加强,趾尖施加于栖木表面的抓力也会同时加强且难以预测。这种策略为鸟儿抓住栖木提供了相当于蛇10和机器人11所能达到稳定安全余量,超过人类抓住小物体的安全余量12。一旦能在栖木上保持平稳,鸟儿就会放松抓力,避免肌肉活动带来不必要的持续能量消耗。


Roderick和同事的研究有一个局限,他们没有调查神经系统在控制握力以实现稳定着陆中的作用。作者指出这些爪子会做极快(1-2毫秒)的初始锚定运动,说明这种运动可能属于一种快速的固有弹性机制,不涉及神经控制。然而,在这些极快的动作之后,脚趾和爪子会进行一些持续时间更长的调整,或有助于它们建立稳定的抓力,从而放松抓握。这些较慢的调整可能需要通过神经系统的本体感觉反馈。这种反馈控制可以通过记录降落和栖停过程中的肌肉活动和力量模式来评估。另一种方法是用麻醉药抑制鸟类脚垫中机械感觉受体的活动,借此确定脚垫的感觉反馈是否会影响这些脚部动作以及鸟类的着陆能力。


这项研究的着陆飞行时间很短,而且是在同一水平面上的栖木之间进行的。然而,太平洋鹦哥在觅食时可能会飞到高处或低处的栖木。因此,考察它们的身体朝向和着陆力是否会随着陆飞行的轨迹变化也是非常有趣的。也许,这种飞行在着陆过程的早期阶段与作者发现的模式并不一致。但无论如何,Roderick和同事的详细生物力学分析为进一步探究脚部、脚趾和爪子如何帮助动物稳定抓住表面的研究工作提供了重要的路线图。

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