自然最新研究揭示昆蟲翅膀鉸鏈工作原理，推動(dòng)飛行演化理解
中新網(wǎng)北京4月18日電 (記者 孫自法)國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》最新發(fā)表一篇生物力學(xué)論文稱，研究人員通過(guò)成像技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)建模和機(jī)器人飛行的結(jié)合研究，揭示了昆蟲翅膀鉸鏈的工作原理。這種對(duì)復(fù)雜關(guān)節(jié)的分析研究，或?qū)⒋龠M(jìn)人們理解推動(dòng)昆蟲飛行演化的生物力學(xué)創(chuàng)新。
果蠅在紅外照明下以每秒7500幀的速度拍攝的自由飛行逃逸反應(yīng)的合成照片(圖片來(lái)自Dickinson實(shí)驗(yàn)室的FlorianMuijres)。施普林格·自然/供圖
該論文介紹，昆蟲是最早演化出飛行能力的動(dòng)物，它們的翅膀與翼龍、鳥和蝙蝠等其他飛行動(dòng)物有區(qū)別。昆蟲的翅膀不是從四肢演化而來(lái)，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(dòng)。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，而且它們的移動(dòng)速度很快，拍攝起來(lái)不夠清晰。
果蠅飛行時(shí)轉(zhuǎn)向肌肉中的熒光鈣信號(hào)(圖片來(lái)自Dickinson實(shí)驗(yàn)室的FlorisvanBreugel和ThadLindsay)。施普林格·自然/供圖
在本項(xiàng)研究中，論文通訊作者、美國(guó)加州理工學(xué)院Michael H. Dickinson和同事及合作者一起，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，捕捉了果蠅在一個(gè)電子飛行模擬器中飛行時(shí)的翅膀運(yùn)動(dòng)。
夜間實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的圖片，顯示高速攝像機(jī)、肌肉成像顯微鏡和LED飛行場(chǎng)(圖片來(lái)自Dickinson實(shí)驗(yàn)室JohanMelis)。施普林格·自然/供圖
他們?cè)?.2萬(wàn)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(dòng)的模型，再用一次微型機(jī)器人飛行測(cè)量了這些骨片肌肉的空氣動(dòng)力學(xué)作用。這個(gè)模型隨后用一次自由飛行式飛行的物理模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)骨片肌肉活動(dòng)的調(diào)整囊括了自由飛行式飛行的所有已知操控。
《自然》同期發(fā)表同行專家的“新聞與觀點(diǎn)”文章指出，這項(xiàng)最新研究結(jié)果提出了一個(gè)可信的鉸鏈物理模型，以及可供進(jìn)一步驗(yàn)證的多個(gè)假說(shuō)。此外，隨著果蠅神經(jīng)連接詳細(xì)圖譜的完成，期待該研究結(jié)果能促進(jìn)對(duì)果蠅飛行控制環(huán)路的更深理解。(完)