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科學家研究蒼蠅如何著陸

為研制模擬昆蟲獨特飛行能力的機器人鋪平道路

2019-10-25 中國科學報 趙熙熙
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  看到一只蒼蠅毫不費力地倒掛在一塊天花板下并不是什么新鮮事,然而幾十年來,科學家一直未能搞清這種昆蟲是如何完成這一空中特技的。即使現代無人機也無法與蒼蠅復雜的降落技巧相媲美。

  現在,一項新的研究提供了迄今為止對于蒼蠅著陸的最為全面的探索,從而揭示了有朝一日可能幫助機器人飛行員模擬昆蟲獨特飛行能力的敏捷操作。

  為了制造能夠模仿昆蟲運動的機器,美國賓夕法尼亞州立大學機械工程師Bo Cheng首先搜集了50年的科學文獻,用來尋找有關蒼蠅著陸的研究成果。他驚訝地發現,這樣常見的一種現象竟然如此缺乏文獻記載。隨后Cheng意識到了其中的原因——在著陸過程中,蒼蠅閃電般的快速移動并不容易被觀察到。

  因此,Cheng和他的同事使用高速攝像機拍攝并分析了20多只綠頭蒼蠅的動作——這些蒼蠅以高超的飛行技巧而聞名,它們能夠倒立著在一個飛行艙內著陸。

  蒼蠅降落的方式是多種多樣的。有些蒼蠅會先把自己的前腿放在物體表面上,然后再把身體擺到位,就像后空翻一樣。而其他的著陸方式看起來更像是在滾桶。

  在拍攝了18次完美的著陸后,研究小組發現,蒼蠅主要依靠視覺線索來完成這些動作。例如,當一只蒼蠅看到它即將與一塊天花板相撞時,它必須在50毫秒內決定自己如何倒轉身體并用腳抓住天花板。

  Cheng和他的同事在10月23日出版的《科學進展》上報告了這一研究成果。

  但即便是最敏捷的蒼蠅有時也會犯錯——這項研究還描述了15次失敗的著陸,這表明昆蟲需要在比人類眨眼還要短的時間內在特定的范圍里移動,以實現完美的著陸,同時避免與天花板相撞。

  “這是一篇非常有趣的新論文。”并未參與該項研究的Jessica Fox說。Fox是一位生物學家,在俄亥俄州克利夫蘭的凱斯西儲大學利用高速攝像機研究昆蟲的感覺系統。但是她強調,這些昆蟲的著陸動作可能受到了實驗裝置的影響。

  在這項實驗中,在一個小盒子大小的區域內,研究人員通過機械振動刺激綠頭蒼蠅起飛。Fox說,如果這些昆蟲有更多的空間,如果它們不害怕起飛,綠頭蒼蠅可能會選擇更容易著陸的地方。這項研究表明,“當蒼蠅在飛得最快,并且需要在最短時間內作出決定時,它們會在極限狀態下做出什么事情。”

  印度班加羅爾國家生物科學中心綜合生物學家、這項研究的合著者Sanjay Sane說,在探索蒼蠅和其他飛行昆蟲——從蚊子到蜜蜂——如何控制復雜的飛行動作方面,這“只是一個起點”。他說,更多此類研究將幫助科學家開始確定最重要的跨物種飛行動作。

  Cheng補充道,一旦科學家對控制蒼蠅著陸的過程有了更多的了解,他們可能會發現如何創造出模仿蒼蠅滾桶和其他飛行技能的機器人。“就像孩子模仿父母一樣,我們可以用蒼蠅來教機器人。”

打印 責任編輯:侯茜

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