昆蟲飛行有何奧秘?最新研究揭曉翅膀鉸鏈工作原理

發(fā)布時間:2024年04月18日 16:23     來源:中國新聞網(wǎng)

  北京時間4月17日夜間,國際著名學(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,揭示昆蟲翅膀鉸鏈的工作原理。這種對復(fù)雜關(guān)節(jié)的分析研究,或?qū)⒋龠M(jìn)人們理解推動昆蟲飛行演化的生物力學(xué)創(chuàng)新。

  該論文介紹,昆蟲是最早演化出飛行能力的動物,它們的翅膀與翼龍、鳥和蝙蝠等其他飛行動物有區(qū)別。昆蟲的翅膀不是從四肢演化而來,而是用一種獨特的復(fù)雜鉸鏈連接翅膀和身體。這種鉸鏈?zhǔn)且粋€由名為“骨片”的五個復(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。翅膀鉸鏈的力學(xué)機(jī)制非常神秘,因為翅膀根部的四個關(guān)鍵骨片很難從外部進(jìn)行可視化,而且它們的移動速度很快,拍攝起來不夠清晰。

  在本項研究中,論文通訊作者、美國加州理工學(xué)院Michael Dickinson和同事及合作者一起,將整組骨片控制肌肉的實時鈣成像與同步3D超高速攝像相結(jié)合,捕捉了果蠅在一個電子飛行模擬器中飛行時的翅膀運動。

  他們在7.2萬多次翅振數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計出一個骨片肌肉如何控制翅膀運動的模型,再用一次微型機(jī)器人飛行測量這些骨片肌肉的空氣動力學(xué)作用。這個模型隨后用一次自由飛行式飛行的物理模擬進(jìn)行驗證,對骨片肌肉活動的調(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”文章指出,這項最新研究結(jié)果提出了一個可信的鉸鏈物理模型,以及可供進(jìn)一步驗證的多個假說。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)對果蠅飛行控制環(huán)路的更深理解。(記者 孫自法制作 劉世炯 視頻來源施普林格·自然)

責(zé)任編輯:【李季】

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