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壁虎为何跳得稳,机器人却不行 关键在于尾巴长度

乐鱼体育APP下载 动态 2021-12-24 07:26

为什么壁虎降落在树枝上如此稳当,而人类发明的仿生学机器人却做不到?在英国《通讯·生物学》杂志近日发表的一项动物学研究中,科学家通过大量实际观察和精确模型分析指出,在树间滑行的亚洲蝎尾蜥虎(也称亚洲蝎虎)会在降落时用尾巴稳定身体。

蜥虎蜥在雨林的树叶上,其跳向树木时能用尾巴进行稳定。 图片来源:《通讯·生物学》在线版

为了更好地理解蜥虎尾巴的摆动在降落中的重要性,德国马克斯·普朗克智能系统研究所科学家阿尔迪安·朱苏飞及其同事此次利用高速摄像机,拍摄了30只野生蜥虎从高台上跳向附近一棵树的过程,随后再用一个近景高速摄像机拍摄了其中16只蜥虎降落时的运动。

研究团队观察到,蜥虎会先用头撞树,再让躯体和尾巴朝后摆动。大部分着陆情况下(14次中的8次),蜥虎的身体和头部会朝着远离树干的方向摆动,导致它们失去对前足的控制,但它们会将尾巴压住树干以防止跌落。其中5只蜥虎在降落时四脚全在树干上,另外一只失去了控制,摔了下来。还有两只无尾蜥虎在尝试降落后也从树干上摔了下来。

蜥虎降落至停住的动作顺序。 图片来源:《通讯·生物学》在线版

为了研究蜥虎是如何利用尾巴摆动防止摔落的,研究团队开发了两个类似蜥虎的柔性机器人,并用弹射器发射,模拟从滑行到高速降落的过程。这两个机器人的身形比例类似蜥虎,但一个机器人有像蜥虎一样的尾巴,而另一个没有。研究人员测量了这两个机器人在贴了魔术贴的垂直表面上降落时足部产生的力。他们发现,实验中无尾机器人成功降落在垂直表面的概率只有15%,而有尾机器人的成功概率有55%。如果将尾巴长度缩短到原来的25%,机器人成功降落所需的足部力量需要增加一倍以上。

蜥虎机器人。 图片来源:《通讯·生物学》在线版

结合现场观测结果以及机器人分析模型显示,尾巴能通过减少机器人贴在垂直面上所需的足力,提高其降落稳定性和成功率。研究结果表明,蜥虎在树间滑行时,尾巴可能也起到了类似的作用。研究人员认为,与蜥虎尾巴相似的结构或能帮助飞行机器人(如无人机)在垂直表面降落时起到稳定作用。

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