昆虫飞行有何奥秘？国际最新研究揭晓翅膀铰链工作原理
发布时间：2024-09-12 06:33:00 来源: sp20240912
中新网 北京4月18日电 (记者 孙自法)国际著名学术期刊《自然》最新发表一篇生物力学论文称，研究人员通过成像技术、机器学习建模和机器人飞行的结合研究，揭示了昆虫翅膀铰链的工作原理。这种对复杂关节的分析研究，或将促进人们理解推动昆虫飞行演化的生物力学创新。
果蝇在红外照明下以每秒7500帧的速度拍摄的自由飞行逃逸反应的合成照片(图片来自Dickinson实验室的Florian Muijres)。施普林格·自然/供图
该论文介绍，昆虫是最早演化出飞行能力的动物，它们的翅膀与翼龙、鸟和蝙蝠等其他飞行动物有区别。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。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，而且它们的移动速度很快，拍摄起来不够清晰。
果蝇飞行时转向肌肉中的荧光钙信号(图片来自Dickinson实验室的Floris van Breugel和Thad Lindsay)。施普林格·自然/供图
在本项研究中，论文通讯作者、美国加州理工学院Michael H. Dickinson和同事及合作者一起，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，捕捉了果蝇在一个电子飞行模拟器中飞行时的翅膀运动。
夜间实验设备运行时的图片，显示高速摄像机、肌肉成像显微镜和LED飞行场(图片来自Dickinson实验室Johan Melis)。施普林格·自然/供图
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式飞行的物理模拟进行了验证，对骨片肌肉活动的调整囊括了自由飞行式飞行的所有已知操控。
《自然》同期发表同行专家的“新闻与观点”文章指出，这项最新研究结果提出了一个可信的铰链物理模型，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，期待该研究结果能促进对果蝇飞行控制环路的更深理解。(完)
【编辑:刘阳禾】