这些机器人帮助理解昆虫如何进化出两种不同的飞行策略
2023 年 10 月 4 日出版的《自然》杂志描述了由加州大学圣地亚哥分校的工程师制造的机器人在理解昆虫飞行如何进化方面取得了重大突破。这项研究是加州大学圣地亚哥分校的机器人专家和佐治亚理工学院的生物物理学家长达六年合作的结果。
研究结果重点关注昆虫的两种不同飞行模式是如何进化的。大多数昆虫在每次拍翅时都会用大脑来激活飞行肌肉，就像我们每迈一步都会激活腿部肌肉一样。这称为同步飞行。但有些昆虫，例如蚊子，能够在没有神经系统指挥每次拍翅的情况下拍动翅膀。相反，这些动物的肌肉在伸展时会自动激活。这称为异步飞行。异步飞行在四大昆虫类群中的一些昆虫中很常见，这使得它们能够以极快的速度拍动翅膀，例如，一些蚊子每秒拍动翅膀超过 800 次。
多年来，科学家们假设四类昆虫——蜜蜂、苍蝇、甲虫和真虫(半翅目)——都是分别进化出异步飞行的。然而，佐治亚理工学院团队进行的一项新分析得出的结论是，异步飞行实际上是在一个共同的祖先中共同进化的。然后，一些昆虫物种恢复同步飞行，而另一些则保持异步飞行。
飞蛾等一些昆虫已经从同步进化到异步，然后又回到同步飞行，这一发现使研究人员走上了一条需要昆虫、机器人和数学实验的研究道路。这一新的进化发现提出了两个基本问题：飞蛾的肌肉是否表现出其先前异步的特征以及昆虫如何在其肌肉中保持同步和异步特性并且仍然能够飞行?
研究同步和异步进化这些问题的理想标本是天蛾。这是因为飞蛾使用同步飞行，但进化记录告诉我们它们的祖先具有异步飞行。
佐治亚理工学院的研究人员首先试图测量是否可以在天蛾肌肉中观察到异步特征。通过对肌肉的机械表征，他们发现天蛾仍然保留了异步飞行肌肉的物理特征——即使它们没有被使用。
昆虫如何同时具有同步和异步特性并且仍然可以飞行?为了回答这个问题，研究人员意识到，使用机器人可以让他们进行永远无法在昆虫身上进行的实验。例如，他们将能够为机器人配备能够模拟异步和同步肌肉组合的电机，并测试在数百万年的飞行进化过程中可能发生的转变。
加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院机械和航空航天工程教授、该论文的资深作者之一尼克·格拉维什 (Nick Gravish) 表示，这项工作凸显了机器人物理学的潜力，即使用机器人研究生命系统物理学的实践。
“我们能够了解异步飞行和同步飞行之间的过渡是如何发生的，”格拉维什说。“通过建造扑翼机器人，我们帮助回答了生物学中的进化问题。”
从本质上讲，如果你想了解动物或其他物体如何在其环境中移动，有时构建一个与这些物体具有相似特征并在相同环境中移动的机器人会更容易，詹姆斯·林奇(James Lynch)说，他获得了他的奖项博士 在 Gravish 的实验室工作，是该论文的主要合著者之一。
“这里最大的进化发现之一是，这些转变是双向发生的，并且异步肌肉不是多个独立的起源，实际上只有一个，”西顿山大学生物学助理教授、一名共同第一作者。当他在佐治亚理工学院教授西蒙·斯彭伯格的实验室担任博士后研究员时，他就完成了这项研究工作。“从这个独立的起源开始，已经发生了多次回到同步的修订。”
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