伏击是自然界许多捕食者擅长的技能。许多伏击的捕食者利用快速的袭击捕捉或击打猎物,比如蛇和螳螂虾。只有快于猎物的逃逸反应速度,这些伏击才能成功。并且,大部分已知的袭击方式是向前方快速袭击,所以攻击范围局限于捕食者的前方。螳螂在捕猎时,大多是向前方快速袭击。如果捕食者能够把袭击的直线运动和转体运动结合起来,就能袭击来自各个方向的猎物。
刚刚发表在《实验生物学报》(Journal of Experimental Biology)上的一篇论文,就描述了一种新的袭击方式——全方向袭击。
高速摄影机镜头里,拟扁蛛360度无死角的全方位闪电伏击。视频来源:参考文献。这篇论文的主角拟扁蛛能够袭击360度范围内来自任何方向的、5个身长距离以内的猎物。同时,拟扁蛛的转体速度最快能达到3000度/秒,是目前记录到转身动作最快的有腿动物。
拟扁蛛与普通蜘蛛的对比,图片来源:曾昱。拟扁蛛的特殊能力得益于它们有着特殊关节构造的长腿。每条腿有两个身长,并且股-膝关节的旋转轴几乎垂直于地面。这样,脚尖跗节在贴近地面时运动范围就非常大。
拟扁蛛不仅腿长,还能看到后方的猎物。图片来源:曾昱。当蜘蛛感受到猎物时,靠近猎物的腿就锚定在地面上并屈折把身体拉向猎物,另一侧腿作出伸展动作并蹬地。
这些运动产生指向猎物的地面反应力(ground-reaction force)以及把身体前方转向猎物的扭矩。拟扁蛛的狩猎步法。图片来源:曾昱。八条腿指向不同的方向,仿佛组成了一个能够即时启动的机械系统,并且效率非常高。拟扁蛛的一次袭击往往由靠近猎物的1-2条腿和身体另一侧的0-3条腿完成。与此同时,其他的腿在加速过程中快速往身体中心收缩,协助提高转动的速度。
花样滑冰运动员在冰上旋转时,向内收拢手和腿来提速,也是一样的原理。
这项特殊能力让拟扁蛛能够以极高的成功率袭击来自各方向的猎物。它们最快的转体速度3000度/秒,相当于在一眨眼的时间内(0.3秒)转3圈。更令人惊奇的是,无论猎物的直线距离和方位,所有袭击在0.12秒内完成。所以,蜘蛛们用更快的线速度和角速度袭击更远的和更靠后的猎物。拟扁蛛的捕食运动模型,对仿生机器人的设计提供新的灵感。重建后的攻击动作,俯视视角。
除了描述一个新的捕猎行为和极端的机动性,该研究也展示了节肢动物的多关节腿脚构造对快速运动的适应。生物多样是工程应用方面的重要资源。该研究对未来仿生机器人的设计有许多启发。当前的有腿机器人还不能完成类似的运动,而将来的工程师也许能够以此为灵感,开发出能在狭小的空间内完成快速的转体的有腿机器人。