果蠅飛行時轉向肌肉中的熒光鈣信號。圖片來自:Dickinson實驗室/《自然》
科技日報記者?張夢然
《自然》雜志18日發(fā)表的一項研究稱，美國加州理工學院團隊結合成像技術、機器學習建模和機器人飛行，首次揭示了昆蟲翅膀鉸鏈的工作原理。對這種復雜關節(jié)的分析，或促進人們理解飛行演化過程，帶來仿生學和生物力學的創(chuàng)新。
昆蟲是最早演化出飛行能力的動物。它們的翅膀與翼龍、鳥和蝙蝠等其它飛行動物有區(qū)別。昆蟲的翅膀不是從四肢演化而來，而是用一種獨特的復雜鉸鏈連接翅膀和身體。這種鉸鏈是一個由名為“骨片”的五個復雜元素組成的連鎖系統(tǒng)，這些骨片能與肌肉相互作用，幫助翅膀扇動。
不過，翅膀鉸鏈的力學機制非常神秘，因為翅膀根部的四個關鍵骨片很難從外部進行可視化，它們的移動速度很快，拍攝的照片不夠清晰。
科學家團隊此次將整組骨片控制肌肉的實時鈣成像與同步3D超高速攝像相結合，捕捉到果蠅在一個電子飛行模擬器中飛行時的翅膀運動。他們在7.2萬多次翅振數(shù)據的基礎上，用機器學習設計了一個骨片肌肉如何控制翅膀運動的模型，再用一次微型機器人飛行測量了這些骨片肌肉的空氣動力學作用。這個模型隨后用一次自由飛行的物理模擬進行了驗證，其對骨片肌肉活動的調整，囊括了自由飛行的所有已知操控。
這些結果共同提出了一個可信的鉸鏈物理機制，以及可供進一步驗證的多個假說。此外，隨著果蠅神經連接詳細圖譜的完成，團隊期待他們的結果能促進對昆蟲飛行控制環(huán)路的更深理解。
總編輯圈點
會飛的小蟲子可說是生活中最常見的“人類伙伴”了，但我們居然一直沒有弄清楚它們是怎么實現(xiàn)飛行的。不過細想一下，鳥類的翅膀有復雜的肌肉組織和骨骼與身體自然相連，但昆蟲薄到透明的翅膀是靠什么機制和身體連接傳動的呢？這就是本文科學家研究的課題。解剖一個小飛蟲，并不能徹底了解它運動時的奧妙，但憑借AI、成像、動力學等多手段的捕捉和分析，這個秘密解開了。
