美國科學家發明六足機器昆蟲探秘鳥類飛行進化

■孫雪梅

有翼DASH機器昆蟲

據媒體報道，美國加州大學伯克萊分校科學家近日發明一種神奇的六足機器昆蟲。研究人員為一個僅重25克的機器人裝上六只腳和一對翅膀用來提高其靈活性，他們希望能夠通過這只機器昆蟲探秘早期鳥類和昆蟲的飛行進化過程。

這只機器昆蟲名為 “動力自治爬行昆蟲”(簡稱DASH)。DASH機器昆蟲長約10厘米。研究人員發現，盡管翅膀大大提高了機器昆蟲的靈活性，但是這個附加的裝置并沒有能夠為昆蟲從地面上飛起提供足夠的速度。不過，翅膀的振動仍然提高了機器昆蟲的空中性能，與鳥類等動物滑翔飛行的特點相似。

這項研究由美國加州大學伯克萊分校仿生微系統實驗室科學家勞恩-費爾林教授帶領的研究團隊負責，他們的研究成果近日發表于《生物靈感和仿生學》雜志之上。研究人員指出，在研究飛行原理的過程中，采用機器人模型是一種非常有效的方法，特別是在化石證據有限的情況下。

DASH機器昆蟲最初是由費爾林教授的研究生保羅-伯克梅爾于2009年研制。當時，DASH是一個輕量級的快速機器人，采用一些便宜的材料制成，由一個電池發動機提供動力。這種小尺寸的機器人最適合部署于一些危險區域，如倒塌的建筑中。不過，與其靈感來源蟑螂相比，DASH機器昆蟲在奔跑時存在明顯局限。對于小型機器人來說，翻越障礙物時如何保持平衡與穩定是一個關鍵難題。因此，研究人員為DASH機器昆蟲裝上了側翼和尾翼，看是否能夠有所幫助。

費爾林表示，“我們的目標就是讓我們的機器人能夠擁有與其他動物一樣的全地形能力。在現實世界中，許多情況下飛行是一種比爬行更好的選擇。而在另外一些狹窄空間中，飛行可能又不起作用。因此，我們需要一種既能跑又能飛的混合功能機器人。”

研究人員對四款不同結構的有翼DASH機器昆蟲分別進行了測試，共中一款是只裝有一個尾翼的，還有一款是只裝有翅膀骨架的。當在發動機作用下振翅時，有翼DASH機器昆蟲奔跑速度接近翻番，從原來的每秒0.68米提升至每秒1.29米。這種機器昆蟲還能夠爬上更陡峭的地形，爬行傾斜角度從5.6度提高到16.9度。

仿生微系統實驗室研究人員凱文-彼得森介紹說，“我們發現，有了翅膀后機器昆蟲性能立即得到提升。翅膀不僅僅讓機器昆蟲跑得更快，傾斜角度更大，而且還可以讓機器昆蟲在下行時能夠保持正直。沒有翅膀的DASH機器昆蟲從八樓掉下來可能會幸存下來，但它在落地時往往翻了個，而它落在哪里也是由運氣決定。”有翼DASH機器昆蟲可以平衡下降，而不是自由落體式垂直降落。落地后，它還能夠繼續保持原有的姿勢。

費爾林等人的研究成果引起了加州大學伯克萊分校動物飛行研究專家羅伯特-杜德利教授的關注。杜德利教授指出，飛行進化中的大多數關鍵理論都是從有限的化石記錄和理論模型得出。“我們所獲得的化石證據表明，早期鳥類祖先的四個翼上長有較長的羽毛，它們長長的尾翼上同樣也有密集的羽毛。從機器原理講，樹棲飛行動物比地面動物更有飛行優勢。”

不過，杜德利也認為，“有翼版本的DASH機器昆蟲并不是完美的鳥類原型模型，如它擁有6只腳而不是2只，它的翅膀和尾翼是塑料的，而不是羽毛的。這些特點可能在回答鳥類進化方面存在局限。”