@ 2018.05.11 , 14:00

为了研究蜘蛛腿,科学家教它跳跃

科学家们教会一只蜘蛛听令跳跃,希望借此研发新一代机器人模型。

很多蜘蛛会跳跃,参与新研究的佛罗里达跳蛛也不例外。佛罗里达跳蛛的能力无可挑剔,当它们跳起来抓猎物的时候,能够飞跃自身体长的六倍。它们体长约15毫米,这些小家伙们至少能跳60毫米远。相比之下,人类只能跳跃自身体长的1.5倍。

佛罗里达跳蛛绝佳的视力和精准的捕猎,使得它们成为曼彻斯特大学完美的研究对象,协助后者研发微型跳蛛。

为了研究蜘蛛腿,科学家教它跳跃

然而,教会这项雌性蜘蛛跳跃并不是一件容易的事,只有一只蜘蛛成功地学会了跳起和着陆到平台上。她名叫Kim。研究人员们利用高科技摄像头拍下了Kim的跳跃过程,发现她跳跃背后的秘密。Kim有一些不同的跳跃技巧。跳跃距离近(大约为自身体长的两倍)时,Kim会采用更快更低的轨道,以便精准定位。但跳跃距离远(大约为自身体长的六倍)时,她倾向于使用更加高能效的跳跃方式。

虽然Kim能够调节她的跳跃角度以便跳得更高或者更低,但研究人员们发现她在低空跳跃的时候更加自信。

微系统工程师Mostafa Nabawy表示:“她会采用最佳跳跃角度,这意味着她能够理解她面临的挑战。之后她能够预测跳跃所需时间,采用最佳耗能方式。”

研究人员们还注意到Kim在跳跃到平台上之前,会事先系一条“蛛丝安全绳”。当她跳跃时,能够靠这条蛛丝绳保持稳定。研究人员们做了3D扫描后,得以为蜘蛛的身体和腿部结构建立模型。分析与模型结合使得研究人员们能够更好地理解蜘蛛跳跃背后的动力。

生物学家们知道蜘蛛能够利用腿部液压伸展腿部,但他们不知道蜘蛛是否能利用这一液压增强乃至取代肌肉力量。不过在本研究中,蜘蛛的肌肉力量足以支撑它的跳跃。

空气动力学家Bill Crowther说道:“我们的研究结果表明虽然Kim在跳跃时能够依靠腿部液压,但她并不需要额外的液压力量来实现跳跃行为。因此,蜘蛛体内的液压活动所扮演的角色仍有待商榷。”

这一研究不仅让科学家们更了解佛罗里达跳蛛,还给研究小型跳跃机器人提供了思路。如果研究人员们能够从跳蛛身上学会什么,那么应该是解决目前他们研究机器人时面临的限制。

Nabawy是一位航空工程师,他对设计飞行及跳跃机器人很感兴趣。跳蛛为他实现这一梦想提供了不少线索。Nabawy表示:“蜘蛛起跳时使用的力量是自身重力的五倍,如果我们能理解这些生物力学,那么我们就能将它们应用到其它研究领域。蜘蛛做事有计划,它们为了准确而快速地抓住猎物,必须完成准确的跳跃。”

研究人员们完成蜘蛛研究后,建立了一个简单的跳跃装置,它与蜘蛛的大小差不多。虽然工程结构材料都对了,但项目失败了。研究人员们研究的样本太小,他们指出这一范围内的电子控制装置无法与自然匹敌。

研究人员们计划创造出全新的机器人,为了做到这一点,他们需要进行更多研究,比如检测蜘蛛控制其跳跃的准确度。到目前为止,工程师们一无所获。

该研究已被发表在《科学报告》上。

本文译自 Sciencealert,由译者 肌肉桃 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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