蜻蜓坠落时如何自我调整的经验教训

蜻蜓拥有伸展的身体、巨大的翼展和彩虹色，是一种独特的景象。但它们的独创性并不仅限于它们的外表：作为地球上最古老的昆虫物种之一，它们是空中飞行的早期创新者。

现在，由康奈尔大学工程学院机械与航空航天工程教授 Jane Wang 领导的一个小组已经解开了使蜻蜓在坠落时能够自我纠正的复杂物理和神经控制。

该研究揭示了一系列机制，从蜻蜓的眼睛开始——所有五只眼睛——一直延续到它的肌肉和翼距。

该团队的论文“蜻蜓翻正反射中的恢复机制”于 5 月 12 日发表在 Science 上 . Wang 与弗吉尼亚州阿什本市霍华德休斯医学研究所 (HHMI) 的 James Melfi 博士和 Anthony Leonardo 共同撰写了这篇论文。

二十年来，王一直使用复杂的数学模型来理解昆虫飞行的机制。对于王来说，物理学在解释生物体的进化过程中与遗传学同样重要。

“昆虫是最丰富的物种，也是最早发现空中飞行的物种。蜻蜓是最古老的昆虫之一，”王说。 “试图观察它们如何在空气中正确定位将使我们了解飞行的起源以及动物如何进化出用于在空气中平衡和在太空中航行的神经回路。他们的轨迹是复杂和不可预测的。蜻蜓不断地做动作，不遵循任何明显的方向。很神秘。”

为了研究这些飞行动力学和控制它们的内部算法，该团队设计了一个受控行为实验，在该实验中，一只蜻蜓将从磁绳上倒挂下来——这一前提与 1800 年代著名的猫下落实验不同，该实验展示了如何某些“硬连线反射”导致猫科动物用脚着地。他们发现，通过在不接触腿部的情况下小心地释放蜻蜓，昆虫令人困惑的动作实际上遵循了相同的运动模式，研究人员能够用三台以每秒 4,000 帧的速度拍摄的高速摄像机捕捉到这种运动模式。在蜻蜓的翅膀和身体上贴上标记，并通过3D跟踪软件重建动作。

研究人员必须考虑许多因素——从翅膀和空气相互作用的不稳定空气动力学到蜻蜓身体对其翅膀拍打的反应方式。还有所有地球生物最终都必须与之抗衡的那种挑剔的力量：重力。

Wang 和 Melfi 能够创建一个成功模拟蜻蜓特技飞行的计算模型。但一个关键问题仍然存在：蜻蜓如何知道它们正在坠落，从而纠正它们的轨迹？

Wang 意识到，与具有惯性感的人类不同，蜻蜓可以依靠它们的两个视觉系统——一对大的复眼和三只称为单眼的简单眼睛——来判断它们的正直度。

她通过用颜料遮住蜻蜓的眼睛并重复实验来验证她的理论。这一次，蜻蜓在飞行中恢复的难度要大得多。

“这些实验表明，视觉是启动蜻蜓翻正反射的首要途径，也是主要途径，”王说。

这种视觉提示触发了一系列反射，将神经信号发送到蜻蜓的四个翅膀，这四个翅膀由一组直接肌肉驱动，相应地调节左翼和右翼俯仰的不对称性。用三到四次翅膀冲程，一只翻滚的蜻蜓可以滚动 180 度并恢复右侧向上飞行。整个过程大约需要200毫秒。

“难的是从实验数据中找出关键控制策略，”王说。 “我们花了很长时间来了解少量俯仰不对称导致观察到的旋转的机制。关键的不对称隐藏在许多其他变化中。”

运动学分析、物理建模和 3D 飞行模拟的结合现在为研究人员提供了一种非侵入性的方法来推断动物观察到的行为与控制它们的内部程序之间的关键联系。希望提高小型飞行器和机器人性能的工程师也可以利用这些见解。

“数十或数百毫秒时间尺度的飞行控制很难设计，”王说。 “小型扑翼机现在可以起飞和转弯，但仍然难以保持在空中。当它们倾斜时，很难纠正。动物要做的其中一件事就是精准解决这类问题。”