蛾和蜜蜂飛行比較。昆蟲鳴謝:uux.cn/喬治亞理工學(xué)院/羅布·費(fèi)爾特
（神秘的何進(jìn)化地球uux.cn）據(jù)佐治亞理工學(xué)院：蚊子是飛行最快的昆蟲之一。它們每秒扇動(dòng)翅膀800次以上，超高就能達(dá)到它們的速飛速度，因?yàn)樗鼈兂岚蛏系睦ハx肌肉扇動(dòng)的速度比神經(jīng)系統(tǒng)告訴它們跳動(dòng)的速度要快。
這種異步跳動(dòng)來(lái)自飛行肌肉與昆蟲彈性外骨骼的何進(jìn)化物理相互作用。這種神經(jīng)指令和肌肉收縮的超高分離只在四種不同的昆蟲群體中普遍存在。
多年來(lái)，速飛科學(xué)家們認(rèn)為這四個(gè)群體分別進(jìn)化出了這些超快翅膀，昆蟲但佐治亞理工學(xué)院和加州大學(xué)圣地亞哥分校的何進(jìn)化研究表明，它們從一個(gè)共同的超高祖先進(jìn)化而來(lái)。這一發(fā)現(xiàn)表明進(jìn)化反復(fù)開啟和關(guān)閉這種特殊的速飛飛行模式。研究人員開發(fā)了物理模型和機(jī)器人來(lái)測(cè)試這些轉(zhuǎn)變是昆蟲如何發(fā)生的。
蛾成為解開飛行進(jìn)化的何進(jìn)化關(guān)鍵物種。與蚊子不同的超高是，飛蛾的每一次振翅飛行都是通過(guò)同步激活它們的神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)調(diào)整飛行肌肉的節(jié)奏。與其他三種飛行昆蟲一樣，飛蛾的祖先進(jìn)化出了異步飛行，但后來(lái)失去了這種能力。然而，即使數(shù)百萬(wàn)年后，飛蛾仍然保留了異步肌肉收縮的能力。
盡管展示了進(jìn)化模式，研究人員仍然需要解釋昆蟲如何在這兩種飛行模式之間來(lái)回轉(zhuǎn)換。為此，他們將飛行策略映射到物理學(xué)家認(rèn)為的振蕩的兩種基本方式上。利用生物物理模型和機(jī)器人平臺(tái)，他們展示了這兩種策略是一個(gè)統(tǒng)一模型的兩個(gè)方面。如果進(jìn)化調(diào)整一些參數(shù)，昆蟲可能會(huì)突然從同步飛行轉(zhuǎn)變?yōu)楫惒斤w行，反之亦然。
“我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)所有不同的實(shí)驗(yàn)條件都非常穩(wěn)健，”佐治亞理工學(xué)院的博士畢業(yè)生、論文的主要作者之一杰夫·高(Jeff Gau)說(shuō)。“我們從進(jìn)化的角度回顧了4億年前古代昆蟲肌肉的行為。”
這項(xiàng)工作本質(zhì)上是跨學(xué)科的，結(jié)合了物理學(xué)、進(jìn)化生物學(xué)和機(jī)器人學(xué)的研究人員。該結(jié)果發(fā)表在10月份的《自然》雜志上的論文“在進(jìn)化、生理學(xué)和機(jī)器人物理學(xué)中橋接兩種昆蟲飛行模式”。
同步的
許多昆蟲同步飛行，使神經(jīng)系統(tǒng)脈沖與翅膀運(yùn)動(dòng)相匹配。但較小的昆蟲沒有這種機(jī)制，必須更努力地拍打翅膀，這只能在一定程度上起作用。這就是異步飛行的由來(lái)。
“隨著昆蟲變得越來(lái)越小，它們的翅膀拍擊次數(shù)增加到每秒100次，當(dāng)你開始達(dá)到這個(gè)速度時(shí)，會(huì)有一種內(nèi)在的速度限制，肌肉不能足夠快地收縮和放松，”佐治亞理工學(xué)院鄧恩家族早期職業(yè)生涯物理學(xué)和生物科學(xué)副教授西蒙·斯彭伯格說(shuō)。“如果它們?cè)噲D收縮和放松翅膀，它們就會(huì)開始重疊，然后最終鎖定。”
相反，較小的昆蟲已經(jīng)進(jìn)化到使用神經(jīng)系統(tǒng)向肌肉發(fā)送活動(dòng)脈沖，然后無(wú)論翅膀是否需要扇動(dòng)，肌肉都會(huì)收縮。只要稍微拉伸一下，肌肉就會(huì)激活并自動(dòng)產(chǎn)生翅膀拍子。異步飛行使翅膀扇動(dòng)的速度明顯快于神經(jīng)系統(tǒng)每次激活和放松肌肉的速度。
開啟進(jìn)化
雖然這種不同步現(xiàn)象自20世紀(jì)50年代就已為人所知，但科學(xué)家最初假設(shè)昆蟲碰巧單獨(dú)進(jìn)化出了這種特性。然而，最近出現(xiàn)了關(guān)于不同物種如何相互進(jìn)化的新的系統(tǒng)發(fā)育或家譜。利用這些系統(tǒng)發(fā)育，研究人員開發(fā)了模型來(lái)確定異步飛行是如何進(jìn)化的。
他們的發(fā)現(xiàn)非常令人驚訝。異步不是單獨(dú)進(jìn)化四次而是所有飛蟲只進(jìn)化一次。隨著時(shí)間的推移，一些昆蟲群體自然失去了這種能力，轉(zhuǎn)而進(jìn)行同步飛行，而另一些則保持了這種能力。
“這里最大的進(jìn)化發(fā)現(xiàn)之一是，這些轉(zhuǎn)變是雙向發(fā)生的，而不是使用多個(gè)獨(dú)立的異步肌肉起源，實(shí)際上只有一個(gè)，”Seton Hill大學(xué)生物學(xué)助理教授布雷特·艾洛(Brett Aiello)說(shuō)，他曾在Sponberg的實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任博士后研究員，幫助領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究。"從那一個(gè)獨(dú)立的起源，發(fā)生了多次回到同步的修正."
模擬飛行的演變
Sponberg將飛行比作振蕩的物理概念，振蕩可能以兩種方式出現(xiàn):有規(guī)律地推動(dòng)系統(tǒng)，像彈簧或鐘擺；相對(duì)于自我興奮，或者當(dāng)系統(tǒng)機(jī)械中的某些東西被拉動(dòng)時(shí)自動(dòng)開始推回。
“如果你曾經(jīng)在汽車經(jīng)銷商那里看過(guò)那些跳舞的氣球人，它會(huì)反復(fù)上升和下降，”Sponberg說(shuō)。“那里發(fā)生的事情是它在振蕩，不是因?yàn)槟愣ㄆ诖了悄銓?shí)際上在底部提供了連續(xù)的空氣噴射，這是重力的一種權(quán)衡。”
實(shí)際上，異步飛行就像氣球一樣，因?yàn)橐呀?jīng)準(zhǔn)備好的肌肉就像一種自我興奮。為了研究這如何應(yīng)用于昆蟲，研究人員將重點(diǎn)放在飛蛾上，飛蛾使用同步飛行，但仍然有異步飛行的機(jī)制。
建模飛蛾
制作蛾的數(shù)學(xué)模型和機(jī)器人系統(tǒng)展示了是什么導(dǎo)致蛾在兩種飛行方式之間轉(zhuǎn)換，并給出了為什么發(fā)生這種轉(zhuǎn)換的更完整的圖片。Gau開發(fā)了肌肉如何為飛行或伸展做準(zhǔn)備的數(shù)學(xué)模型。一旦模型存在，加州大學(xué)圣地亞哥分校的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)就將其植入機(jī)器人物理模型。
“你不需要機(jī)器人來(lái)學(xué)習(xí)生物學(xué)，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的副教授尼克·格拉維什說(shuō)。“但制造一個(gè)受生物啟發(fā)的機(jī)器人，會(huì)迫使你設(shè)身處地地為動(dòng)物著想。”
這個(gè)團(tuán)隊(duì)制造了兩個(gè)機(jī)器人。一個(gè)是模仿飛蛾的大型撲翼機(jī)器人，以更好地了解翅膀的工作原理，它被部署在水中，水的粘度類似于微小昆蟲在空氣中的運(yùn)動(dòng)。
“這個(gè)大得多的機(jī)器人移動(dòng)得慢得多的物理特性類似于一個(gè)小得多但移動(dòng)得快得多的昆蟲，”加州大學(xué)圣地亞哥分校的博士研究生詹姆斯·林奇說(shuō)，他是這篇論文的共同領(lǐng)導(dǎo)者。
他們還建造了一個(gè)小得多的撲翼機(jī)器人，在空氣中運(yùn)行，以復(fù)制真實(shí)蛾的大小，并模仿哈佛大學(xué)的Robobee。機(jī)器人展示了研究人員開發(fā)的用于解釋這兩種飛行類型及其轉(zhuǎn)換的兩種模型在現(xiàn)實(shí)世界條件下是否有效。實(shí)際上，他們建造了第一個(gè)能夠異步拍打的機(jī)器人，并證明了一個(gè)機(jī)器人就可以再現(xiàn)進(jìn)化的轉(zhuǎn)變。
只有研究人員擁有如此廣泛的專業(yè)知識(shí)和知識(shí)，才有可能在進(jìn)化論、物理學(xué)和機(jī)器人學(xué)方面有所發(fā)現(xiàn)。
“這是一種跨學(xué)科的研究，對(duì)于找到對(duì)控制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的自然過(guò)程的深刻而有力的理解非常重要，”艾洛說(shuō)，“以及我們?nèi)绾螌⑵鋺?yīng)用到機(jī)器人系統(tǒng)中。”
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