美國科學(xué)家發(fā)明六足機(jī)器昆蟲探秘鳥類飛行進(jìn)化

■孫雪梅

有翼DASH機(jī)器昆蟲

據(jù)媒體報(bào)道，美國加州大學(xué)伯克萊分校科學(xué)家近日發(fā)明一種神奇的六足機(jī)器昆蟲。研究人員為一個(gè)僅重25克的機(jī)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(jī)器昆蟲探秘早期鳥類和昆蟲的飛行進(jìn)化過程。

這只機(jī)器昆蟲名為 “動(dòng)力自治爬行昆蟲”(簡稱DASH)。DASH機(jī)器昆蟲長約10厘米。研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管翅膀大大提高了機(jī)器昆蟲的靈活性，但是這個(gè)附加的裝置并沒有能夠?yàn)槔ハx從地面上飛起提供足夠的速度。不過，翅膀的振動(dòng)仍然提高了機(jī)器昆蟲的空中性能，與鳥類等動(dòng)物滑翔飛行的特點(diǎn)相似。

這項(xiàng)研究由美國加州大學(xué)伯克萊分校仿生微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家勞恩-費(fèi)爾林教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)，他們的研究成果近日發(fā)表于《生物靈感和仿生學(xué)》雜志之上。研究人員指出，在研究飛行原理的過程中，采用機(jī)器人模型是一種非常有效的方法，特別是在化石證據(jù)有限的情況下。

DASH機(jī)器昆蟲最初是由費(fèi)爾林教授的研究生保羅-伯克梅爾于2009年研制。當(dāng)時(shí)，DASH是一個(gè)輕量級的快速機(jī)器人，采用一些便宜的材料制成，由一個(gè)電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。這種小尺寸的機(jī)器人最適合部署于一些危險(xiǎn)區(qū)域，如倒塌的建筑中。不過，與其靈感來源蟑螂相比，DASH機(jī)器昆蟲在奔跑時(shí)存在明顯局限。對于小型機(jī)器人來說，翻越障礙物時(shí)如何保持平衡與穩(wěn)定是一個(gè)關(guān)鍵難題。因此，研究人員為DASH機(jī)器昆蟲裝上了側(cè)翼和尾翼，看是否能夠有所幫助。

費(fèi)爾林表示，“我們的目標(biāo)就是讓我們的機(jī)器人能夠擁有與其他動(dòng)物一樣的全地形能力。在現(xiàn)實(shí)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(jī)器人。”

研究人員對四款不同結(jié)構(gòu)的有翼DASH機(jī)器昆蟲分別進(jìn)行了測試，共中一款是只裝有一個(gè)尾翼的，還有一款是只裝有翅膀骨架的。當(dāng)在發(fā)動(dòng)機(jī)作用下振翅時(shí)，有翼DASH機(jī)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(jī)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)室研究人員凱文-彼得森介紹說，“我們發(fā)現(xiàn)，有了翅膀后機(jī)器昆蟲性能立即得到提升。翅膀不僅僅讓機(jī)器昆蟲跑得更快，傾斜角度更大，而且還可以讓機(jī)器昆蟲在下行時(shí)能夠保持正直。沒有翅膀的DASH機(jī)器昆蟲從八樓掉下來可能會(huì)幸存下來，但它在落地時(shí)往往翻了個(gè)，而它落在哪里也是由運(yùn)氣決定。”有翼DASH機(jī)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(xù)保持原有的姿勢。

費(fèi)爾林等人的研究成果引起了加州大學(xué)伯克萊分校動(dòng)物飛行研究專家羅伯特-杜德利教授的關(guān)注。杜德利教授指出，飛行進(jìn)化中的大多數(shù)關(guān)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(jù)表明，早期鳥類祖先的四個(gè)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(jī)器原理講，樹棲飛行動(dòng)物比地面動(dòng)物更有飛行優(yōu)勢。”

不過，杜德利也認(rèn)為，“有翼版本的DASH機(jī)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(diǎn)可能在回答鳥類進(jìn)化方面存在局限。”