摘要:​蛇可能没有四肢,但这并不能阻止它们四处走动。通过来回摆动身体,这些狡猾的生物不需要脚或鳍就可以轻松地穿越陆地或水面。有的甚至会飞。(全文约1783字,阅读大概需要6分钟。)

A 3D model of snake flight. (Yeaton et al., Nature, 2020)

蛇可能没有四肢,但这并不能阻止它们四处走动。通过来回摆动身体,这些狡猾的生物不需要脚或鳍就可以轻松地穿越陆地或水面。有的甚至会飞。

杰克·索卡是天堂树蛇(chrysopeeaparadisi)的专家,这种蛇生活在东南亚,人们知道它会任性地从树枝顶端跳到下面的地上。

索卡已经研究这些生物20多年了,虽然他承认蛇并不是典型意义上的飞行,但它们的战略滑翔对于一种完全没有肢体的动物来说仍然是一项令人印象深刻的壮举。

当天堂树蛇放开一个高高的栖木时,它的身体在空中荡漾着,做着一系列奇怪的扭曲动作,有时可以看到它垂直降落在几英尺外。

在弗吉尼亚理工大学生物医学工程专业工作的索卡说:“我们知道蛇的波动有各种各样的原因和各种各样的运动环境”。

“这是他们的基本程序……很有可能一条蛇飞到空中,然后就会问:‘我该怎么办?我是条蛇。我起伏着。’”

但索卡怀疑还有更多的原因。他和同事们创建了这条蛇在空中起伏的三维模型,证明了这些摆动对于飞行中的动态稳定性至关重要,使蛇能够长时间直立滑动。

如果没有这些空中技巧,研究小组的研究结果表明,天堂树蛇根本走不远。事实上,它很可能会头朝下坠落在地上,或者以其他奇怪且有着潜在危险的方向降落。

“真正使这项研究强大的是,我们能够戏剧性地提高我们对滑翔运动学的理解和我们对系统建模的能力,”来自弗吉尼亚理工大学的机械工程师兼该研究的主要作者伊萨克·耶顿说。

“蛇的飞行很复杂,要想让蛇合作往往很棘手。为了使计算模型精确,还有许多复杂的问题。不过,把所有的东西都放在一起后得到的结果是令人满意的。”

这项研究始于2015年,当时研究人员将四层楼高的黑匣子剧院改造成一个室内滑翔竞技场,该剧院有23个高速摄像头,用于捕捉戏剧和舞蹈动作。

然而,在这个例子中,主角是蛇。研究人员将红外线反射胶带贴在他们身体的不同位置,利用运动捕捉系统记录他们从各个角度的运动。

研究小组利用从头部到尾部的11到17个参考点,观察到7条不同的天堂树蛇从8.3米高(27英尺)的橡树树枝跳到下面的一棵人造树上。

索卡解释说:“有了这个数量的(参考点),我们可以得到蛇的平滑表示和精确的表示”。

研究小组从130多组滑翔记录上采集数据,建立了一个连续的、三维精确的蛇及其空气动力学模型。

通过操纵这个动态模型,研究人员随后测试了某些水平和垂直运动的涟漪如何影响蛇的飞行。

当波动时,研究小组注意到,一条滑翔蛇的较小垂直波的速度是其较大水平波的两倍——频率与响尾蛇的频率相同,后者以惊人的相似方式横穿陆地。

作者解释说,这种波动有点像飞盘的旋转:它使蛇在空中滑行时保持直立,而不是在阻力和升力的作用下迅速失去平衡。

对于短距离滑翔,模拟蛇从10米(32英尺)的高度跳跃,几乎所有有起伏的滑翔都是稳定的。而没有起伏的滑翔只有一半是稳定的。

在长时间的模拟滑翔中,从75米(近250英尺)开始,波动对蛇滑翔的模型变得更加重要。

水平和垂直摆动增加了蛇飞行的水平和垂直距离;平均水平移动距离增加了6.9米或近23英尺。

这些知识不仅仅告诉我们更多关于蛇的知识;它同时也可能是机器人领域的一个福音,因为蛇擅长在复杂的环境中移动——这也是我们希望机器人也能做到的。

“进化是最具创造性的修补者,”研究小组的一位,航空航天和海洋工程师肖恩·罗斯说我们很高兴能继续发现大自然解决这类问题的方法,从摆动的圆柱体中提取飞行相关的数据。”

研究运动生物力学的吉姆·亚瑟伍德没有参与这项研究,他认为新的数据很有用,因为它向我们展示了波动是如何实现稳定性的。不过,他认为还有一些问题有待解决。

“滑翔过程中的波动是否用于稳定?还是仅仅是蛇运动的行为残余?这可能是一个错误的二分法:两者都可能是真的,”他在新研究的《自然新闻与观点》文章中写道。

在伦敦皇家兽医学院工作的亚瑟伍德继续说:“和以往一样,解释动物为什么会进化出某些形状和行为,尤其是在稳定性方面,必须谨慎对待”。

这项研究发表在《自然物理学》上。

本文译自 sciencealert,由译者 Lancelot 基于创作共用协议(BY-NC)发布。