松鼠登上最新《科學》封面，“跑酷”高手究竟是怎樣煉成的

如果動物世界也有奧運會的話，那么松鼠想必是嚙齒動物中當之無愧的體操冠軍，除了絕佳的平衡能力，它們甚至可以在細窄的樹枝或者陡峭的地形之間優(yōu)雅地跳躍。

近日，一項研究發(fā)現(xiàn)，當野生松鼠們在高處的復(fù)雜地形中穿梭時，為避免由于不小心墜落而喪命，它們會瞬間測算出自身位置到落點之間的精準距離，并及時調(diào)整動作以完成最佳跳躍。針對一些特別危險的地形，它們甚至可以像表演雜技一樣在空中自由騰挪，如同一個天生的“跑酷達人”。

為了弄清楚松鼠瞬間測算能力的形成原因，來自美國內(nèi)布拉斯加大學生物力學系的助理教授納撒尼爾·H·亨特和團隊進行了一系列關(guān)于松鼠跳躍行為的評估實驗。

實驗證明，生物力學能量控制和試錯學習之間的相互協(xié)同作用，或是決定松鼠實現(xiàn)精準跳躍的主要因素。相關(guān)研究以論文形式發(fā)表在《科學》。

該論文以《雜技松鼠學會在樹枝上跳躍和著陸而不墜落》為題，納撒尼爾·H·亨特擔任通訊作者。

松鼠登上Science封面

松鼠如何成為跑酷高手？

松鼠跳躍以獲得著陸點的花生獎勵

“松鼠是在樹梢間穿梭的高手，從一個樹枝跳到另一個樹枝不會摔倒。作為熟悉平衡和敏捷性生物學極限的模式生物，我認為松鼠是首屈一指的。此外，他們也是二維和三維空間定位的大師一一通過感官線索在空間中移動。”亨特表示。

為了觀察松鼠的跳躍行為，亨特選擇了伯克利校區(qū)自由放養(yǎng)的松鼠作為研究對象。據(jù)了解，該校區(qū)擁有兩種松鼠物種，分別是東美松鼠和狐貍松鼠。

該團隊對這些松鼠們傾注了大量心血，為了準確觀察到松鼠每次跳躍的區(qū)別，研究人員通過注射器將不同顏色的染料標記在每只松鼠的毛皮上，以跟蹤松鼠的日常。他們甚至在在校園西側(cè)的小森林區(qū)域建造了一個戶外障礙訓(xùn)練場，用以模擬不同樹枝間距離或者高度的差異。

實驗裝置包括一個坡道，以及通向不同柔韌性和剛度模擬樹枝的發(fā)射平臺，而在著陸點附近還有一個盛著花生的杯子，以激勵松鼠在發(fā)射平臺和著陸點之間進行跳躍。一旦松鼠從杯子里取下花生，團隊就開始逐漸增加橫梁末端和著陸平臺之間的間隙。大多數(shù)松鼠在30分鐘內(nèi)就掌握了這項任務(wù)。

實驗過程中，改變松鼠起跳點的靈活性對實驗結(jié)果至關(guān)重要，因為它迫使參與的松鼠在穩(wěn)定性和跳躍距離之間找到可行的權(quán)衡。因此，研究人員在實驗中為松鼠逐漸增加了難度，增加了樹枝的靈活性或剛度范圍以及最小間隙距離。

但是松鼠很快就想出了如何改變它們跳躍的生物力學的方法，當從更靈活的模擬樹枝上跳下來時，它們會更加謹慎。

在一系列的實驗驗證下，該團隊發(fā)現(xiàn)松鼠在實施跳躍行為的時候，會根據(jù)環(huán)境的具體情況實時調(diào)整自己的跳躍動作，比如改變起跳點和著陸點的位置等。不過松鼠們也是在嘗試了幾次后才能熟練掌握這種方式，即它們會通過不斷學習來提高自身適應(yīng)環(huán)境的能力。

復(fù)雜環(huán)境下動態(tài)決策至關(guān)重要

雖然在人類觀察者看來，松鼠的生活無比單調(diào)，基本在重復(fù)著吃、睡、爬等步驟，但不可否認的是，松鼠也會涉及到精細調(diào)整的認知技能。

此外，松鼠擁有著強大的空間記憶能力，它們會在秋季的6周到8周內(nèi)搜集冬季所需的堅果和橡子，將每個堅果分別埋起來，并在數(shù)月之后憑借記憶再來取回。也正由于這種記憶認知，松鼠成為了專門的種子傳播者。

亨特認為，對松鼠的研究為人類運動研究人員和工程師分享的“在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中決策、學習和行為的作用”提供了新的見解。“這種適應(yīng)跳躍和著陸結(jié)構(gòu)的力學和幾何形狀的行為靈活性，對于準確跨越間隙以降落在小目標上非常重要。”亨特表示。

事實上，亨特團隊針對松鼠的第一個實驗正是側(cè)重于決策。該團隊在跳躍平臺上使用了3個具有不同柔韌性的模擬樹枝：一根樺木桿、一根塑料管和一根覆蓋黃銅桿的塑料管，借以觀察松鼠用來調(diào)整太快或太慢的跳躍動作后幾種不同的著陸動作。

例如，如果松鼠跳躍時越過著陸平臺，它們會繞著樹枝向前滾動;如果它們跳得有點短，它們會用前腿抓住樹枝并在樹枝下擺動，拉起自己去拿花生;但有時，松鼠的跳躍也會恰到好處。

研究團隊驚訝地發(fā)現(xiàn)，松鼠有時會采取創(chuàng)新的、類似跑酷的動作來縮小差距并獲得美味的花生，即在跳躍中重新調(diào)整身體的方向以獲得更平滑的降落方式。為了測試松鼠采取這種策略的頻率，該團隊同時調(diào)整了間隙距離和著陸高度。

結(jié)果顯示：10只松鼠總共完成了324次該種跑酷跳躍試驗，尤其在中跳和長跳中，松鼠們都非常一致地使用了這種動作。這意味著適應(yīng)性跳躍、學習控制和反應(yīng)穩(wěn)定操作的行為對松鼠成為跑酷高手起著至關(guān)重要的作用。

“目前，還沒有像松鼠那樣敏捷的機器人，也沒有能夠在復(fù)雜環(huán)境中學習或做出動態(tài)任務(wù)決策的機器人一一但我們的研究表明了這種機器人需要的各種能力。這變得更具挑戰(zhàn)性，因為你還必須評估你的環(huán)境。”亨特表示。

接下來，該團隊將繼續(xù)研究松鼠生物力學的復(fù)雜性及其與認知的聯(lián)系，希望有朝一日能制造出具有類似松鼠跳躍能力的機器人。（綜合整理報道）（編輯/費勒萌）