自然最新研究揭示昆蟲翅膀鉸鏈工作原理，推動飛行演化理解
中新網北京4月18日電 (記者 孫自法)國際著名學術期刊《自然》最新發表一篇生物力學論文稱，研究人員通過成像技術、機器學習建模和機器人飛行的結合研究，揭示了昆蟲翅膀鉸鏈的工作原理。這種對復雜關節的分析研究，或將促進人們理解推動昆蟲飛行演化的生物力學創新。
果蠅在紅外照明下以每秒7500幀的速度拍攝的自由飛行逃逸反應的合成照片(圖片來自Dickinson實驗室的FlorianMuijres)。施普林格·自然/供圖
該論文介紹，昆蟲是最早演化出飛行能力的動物，它們的翅膀與翼龍、鳥和蝙蝠等其他飛行動物有區別。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，這些骨片能與肌肉相互作用，幫助翅膀扇動。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，而且它們的移動速度很快，拍攝起來不夠清晰。
果蠅飛行時轉向肌肉中的熒光鈣信號(圖片來自Dickinson實驗室的FlorisvanBreugel和ThadLindsay)。施普林格·自然/供圖
在本項研究中，論文通訊作者、美國加州理工學院Michael H. Dickinson和同事及合作者一起，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，捕捉了果蠅在一個電子飛行模擬器中飛行時的翅膀運動。
夜間實驗設備運行時的圖片，顯示高速攝像機、肌肉成像顯微鏡和LED飛行場(圖片來自Dickinson實驗室JohanMelis)。施普林格·自然/供圖
他們在7.2萬多次翅振數據的基礎上，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式飛行的物理模擬進行了驗證，對骨片肌肉活動的調整囊括了自由飛行式飛行的所有已知操控。
《自然》同期發表同行專家的“新聞與觀點”文章指出，這項最新研究結果提出了一個可信的鉸鏈物理模型，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，期待該研究結果能促進對果蠅飛行控制環路的更深理解。(完)