客机降落都要跑道,鸟儿凭什么能想停哪就停哪?

作者: Nature自然科研

来源: Nature自然科研

发布日期: 2019-12-23

本文通过分析太平洋鹦哥在不同栖木上的降落方式,揭示了鸟类稳定降落的能力主要依赖于其快速调整脚垫和爪子的能力。研究还探讨了鸟类如何利用视觉线索和本体感觉反馈来实现稳定着陆,为无人机设计提供了生物力学参考。

树栖鸟类可以随意降落在大小和纹理各异的栖木上。力量测量和视频分析显示,鸟类稳定降落的能力主要依赖于它们能又快又稳地调整脚垫和锋利的爪子。只要稍微观察一下飞翔的小鸟、蝙蝠和昆虫,就会发现这些生物可以娴熟且毫不费力地在各种表面着陆和起飞,无论是树枝、电话线、花朵还是岩石。相比之下,客运飞机通常需要又长又平的跑道才能完成同样的任务,即便如此,起飞或降落也容易发生事故。

随着航空无人机的应用场景不断增多,小型无人机在空气动力学和能源效率上面临种种挑战,研究人员想要开发出新的无人机设计,提高它们在一系列复杂表面的着陆成功率。Roderick等人在eLife上发表的文章分析了太平洋鹦哥如何在不同种类的栖木上降落,为这些鸟类的着陆方式提供了新见解。之前的研究通过分析鸟类、蝙蝠和陆地哺乳动物的脚和爪子,研究了这些脊椎动物是如何抓住物体表面的。

这项研究采用的方法包括用来确定足、趾和爪几何形状的比较形态学分析、动物运动研究或静态握力测试。从分析中可以看出,动物的爪形随动物体型大小,以及它们在自然环境中的常规用爪方式而异。太平洋鹦哥是一种树栖鸟类,原产于厄瓜多尔和秘鲁的山林中。Roderick等人研究了这种鸟在七种直径和纹理各异的天然或人工栖木上的着陆方式,包括粗糙、柔软和光滑的表面。

研究人员一共测试了三种树的枝桠,其中一种树名为异木绵,多见于这种鸟类的自然栖息地。为了能独立测量栖木的前后着陆面,作者将栖木分为两半,各自固定在一个力与力矩传感器上,记录鸟儿感受到着陆力和旋转暴力的时间和特征;两种力量都受到着陆方法的影响。作者还测量了鸟儿着陆时脚和爪子产生的挤压力。

将这些测量数据与鸟儿翅膀、身体、腿、脚和爪子着陆运动的近距离高速视频记录相结合,可知与稳定栖停相关的着陆过程的详细信息。作者报告说,鸟类在任何一个特定的栖木上着陆时,其翅膀和腿的运动方式是一致的,着陆力和旋转暴力在每个着陆过程的时间范围内会统一变化。这种着陆策略符合之前的研究结果,即鸟类和昆虫利用视觉线索接近着陆目标,以便调整自己的身体姿势,在估计的时间内与着陆面接触。

Roderick和同事的研究有一个局限,他们没有调查神经系统在控制握力以实现稳定着陆中的作用。作者指出这些爪子会做极快(1-2毫秒)的初始锚定运动,说明这种运动可能属于一种快速的固有弹性机制,不涉及神经控制。然而,在这些极快的动作之后,脚趾和爪子会进行一些持续时间更长的调整,或有助于它们建立稳定的抓力,从而放松抓握。这些较慢的调整可能需要通过神经系统的本体感觉反馈。

这种反馈控制可以通过记录降落和栖停过程中的肌肉活动和力量模式来评估。另一种方法是用麻醉药抑制鸟类脚垫中机械感觉受体的活动,借此确定脚垫的感觉反馈是否会影响这些脚部动作以及鸟类的着陆能力。

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