昆虫翅膀铰链工作原理揭秘

  科技日报北京 4 月 18 日电 (记者张梦然)《自然》杂志 18 日发表的一项研究称,美国加州理工学院团队结合成像技术、机器学习建模和机器人飞行,首次揭示了昆虫翅膀铰链的工作原理。对这种复杂关节的分析,或促进人们理解飞行演化过程,带来仿生学和生物力学的创新。

  昆虫是最早演化出飞行能力的动物。它们的翅膀与翼龙、鸟和蝙蝠等其它飞行动物有区别。昆虫的翅膀不是从四肢演化而来,而是用一种独特的复杂铰链连接翅膀和身体。这种铰链是一个由名为“骨片”的五个复杂元素组成的连锁系统,这些骨片能与肌肉相互作用,帮助翅膀扇动。

  不过,翅膀铰链的力学机制非常神秘,因为翅膀根部的四个关键骨片很难从外部进行可视化,它们的移动速度很快,拍摄的照片不够清晰。

  科学家团队此次将整组骨片控制肌肉的实时钙成像与同步 3D 超高速摄像相结合,捕捉到果蝇在一个电子飞行模拟器中飞行时的翅膀运动。他们在 7.2 万多次翅振数据的基础上,用机器学习设计了一个骨片肌肉如何控制翅膀运动的模型,再用一次微型机器人飞行测量了这些骨片肌肉的空气动力学作用。这个模型随后用一次自由飞行的物理模拟进行了验证,其对骨片肌肉活动的调整,囊括了自由飞行的所有已知操控。

  这些结果共同提出了一个可信的铰链物理机制,以及可供进一步验证的多个假说。此外,随着果蝇神经连接详细图谱的完成,团队期待他们的结果能促进对昆虫飞行控制环路的更深理解。

  【总编辑圈点】

  会飞的小虫子可说是生活中最常见的“人类伙伴”了,但我们居然一直没有弄清楚它们是怎么实现飞行的。不过细想一下,鸟类的翅膀有复杂的肌肉组织和骨骼与身体自然相连,但昆虫薄到透明的翅膀是靠什么机制和身体连接传动的呢?这就是本文科学家研究的课题。解剖一个小飞虫,并不能彻底了解它运动时的奥妙,但凭借 AI、成像、动力学等多手段的捕捉和分析,这个秘密解开了。