发布时间:2024-11-01 02:10:23 来源: sp20241101
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】