为什么蜂鸟的飞行能够如此敏捷？

No. 70

翻译｜CrazyBirdy，Hannah

      蜂鸟是鸟类世界里的“战斗机飞行员”，能够以55km/h的速度下降、穿梭，之后回到半空中盘旋，当它们在吸食花蜜时，它们使劲儿地拍打着翅膀。目前，通过研究人员巨大的努力，我们距离弄清楚蜂鸟飞行为何如此敏捷的原因更近了一步。2018年2月9日在美国《科学》杂志新发表的一篇文章不仅向我们全面地解析它们复杂的飞行技巧，还可能为一些人工智能机器人和无人机提供设计灵感（如下图）。

原文献链接：doi:10.1126/science.aat2656

蜂鸟的形态，肌肉能力，技能和操纵能力研究。

      加州大学戴维斯分校（University of California）的进化生物学家彼得·温赖特（Peter Wainwright）说，生物学家们已经确定了蜂鸟能飞多快以及能飞多久，但关于它们飞行的机动性——即所有这些能够让它们快速迂回觅食技巧，早已是出了名的研究难题，而不是新研究的一部分。这是因为蜂鸟高超的飞行技巧涉及一连串复杂的动作，而且这些动作十分自然地协调联动。”

      但这并没有阻止保罗·塞格雷（Paolo Segre），他当时是加拿大温哥华英属哥伦比亚大学（University of British Columbia in Vancouver）的一名研究生。他决定尝试在野外拍摄蜂鸟，因为这些蜂鸟比圈养下的鸟更不受飞行限制。为了准备这项研究，他花了一年的时间完善研究计划，并缩小到使用四个摄像头，电脑协调系统进行高速拍摄。

世界上共有337种蜂鸟，它们的体型有大有小、还有拖着华丽的尾羽。

       两个月之后，塞格雷和他的团队爬上了秘鲁的高山，深入丛林中找到了一个完美的研究地点（参见往期推文中的纪录片）。他们在此建立了营地，搭建了一个巨大的笼子，配备了太阳能摄像机系统，紧接着开始一个接一个地测试不同的蜂鸟个体（如下图）。研究人员对每只鸟进行了大约30分钟的拍摄，它们在不同的栖息位置间来回穿梭，并在笼子内的各种花朵前觅食。之后他们放走这只鸟让下一只鸟重复这样的测试。塞格雷和他的团队在另外三个地方设立了监测站，包括：厄瓜多尔的安第斯山脉，以及哥斯达黎加的高海拔和低海拔营地。

       获取这些数据是非常不容易的。在秘鲁，这支团队的测试场地连续两天挤满了成群的蚂蚁。在哥斯达黎加，塞格雷和他的同事们不得不在雷雨的夜晚涉水穿过鳄鱼出没的水域。“我们大多都被闪电吓坏了，”塞格雷回忆道，他现在是加州帕洛阿尔托斯坦福大学（Stanford University in Palo Alto, California）的一名生态生理学家。科学家们最终获得了25个物种共计207只蜂鸟的视频（如上图）。

塞格雷博士设在野外研究蜂鸟飞行的简易实验室，以及四台摄影机拍摄的数据使得研究人员可以在三维空间重建每只鸟的飞行模式。

       一旦他们获得这些数据，就拿去华盛顿特区史密森学会的候鸟研究中心进行分析。该中心塞格雷博士实验室的同事罗斯琳·达金（Roslyn Dakin）博士等人开发了一套十分复杂的软件用来分析这些数据。这套数据还配备了四台摄像机，使得研究人员可以在三维空间重建每只鸟的飞行模式（如上图），测量其加速，减速，转向，翻滚，飙升或极速下降等动作的次数。每一个简单的动作都会重复并组合成可预测的动作模式。“更复杂的动作组合是由一系列更简单的动作组成的，”塞格雷博士解释说。

研究人员预测体型越大的蜂鸟的机动性越差，相比于小型蜂鸟应该不太灵活。

       当研究人员比较不同的蜂鸟物种之间的飞行模式时，他们发现每种蜂鸟都倾向于使用它最擅长的动作模式（特别是在转弯时）。但他们惊讶地发现，较重的蜂鸟种类在加速和紧急转弯方面通常更好。根据对鸟类和蝙蝠的研究，团队曾预期完全相反的结果——即小型蜂鸟的动作更加灵活（如上图）。 “但体型更大的蜂鸟物种的灵活性实际更强”， 达金博士解释道，“这是因为：相比小型的蜂鸟，那些体型大的蜂鸟具有更结实的肌肉和更长的翅膀”。这些正是她和她的同事们在最新一期科学杂志上研究的主要结论（如下图）。

但实际上体型更大的蜂鸟更加灵活、因为它们拥有更结实的肌肉和更长的翅膀。

       这篇文章里面，还有一些其他重要的发现。比如，不同物种具有不同的运动行为模式，这通常被归结为蜂鸟的身体结构和生理特征的差异，例如翅膀的尺寸，翅膀的表面积和重量，以及肌肉的质量。最后，当团队根据他们的飞行模式对鸟类进行分组时，他们发现飞行模式的分组与蜂鸟系统进化树上不同进化支的紧密相关性，换句话说亲缘关系更密切的物种具有相似的飞行模式（如下图）。

蜂鸟的亲缘关系与其身体重量、形态特征，以及运动过程中的机动性之间的关联性。

       达金博士表示，蜂鸟的运动模式被解析，可以帮助机器人专家如何调整机器系统减少运动的笨拙性和脆弱性。哈佛大学的生物机械学家安德鲁·别文纳（Andrew Biewener）说，这个研究最大的启发是为我们理解了蜂鸟能够产生快速的机翼运动，这有助于提高灵活性。因此，加州大学伯克利分校的生物学家罗伯特·达德利（Robert Dudley）补充说，有趣的是：现在研究动物飞行的更多的是工程师，而不是生物学家。

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