加州大学圣地亚哥分校的工程师们制造的机器人在了解昆虫飞行进化过程方面取得了重大突破，这一成果发表在2023年10月4日的《自然》杂志上。这项研究是加州大学圣地亚哥分校的机器人专家和佐治亚理工学院的生物物理学家长达六年合作的结果。

这一发现关注的是昆虫这两种不同的飞行模式是如何进化的。大多数昆虫在每次振翅时都用大脑激活飞行肌肉，就像我们每迈一步都会激活腿部肌肉一样。这被称为同步飞行。但是有些昆虫，比如蚊子，可以在没有神经系统控制的情况下拍打翅膀。相反，当这些动物的肌肉被拉伸时，它们会自动激活。这被称为异步飞行。在四大昆虫类群中的一些昆虫中，非同步飞行很常见，这使得它们能够以极高的速度扇动翅膀，例如，一些蚊子可以每秒扇动翅膀800多次。

多年来，科学家们一直认为四种昆虫——蜜蜂、苍蝇、甲虫和真正的昆虫(半翅目昆虫)——都分别进化出了异步飞行。然而，佐治亚理工学院团队的一项新分析得出结论，异步飞行实际上是在一个共同的祖先身上进化而来的。然后，一些昆虫种群恢复到同步飞行，而另一些则保持不同步飞行。

一些昆虫，如飞蛾，从同步飞行进化到异步飞行，然后又回到同步飞行，这一发现使研究人员走上了一条需要昆虫、机器人和数学实验的研究道路。这一新的进化发现提出了两个基本问题:飞蛾的肌肉是否表现出先前不同步的特征?昆虫如何在保持肌肉的同步和不同步特性的同时仍能飞行?

研究这些同步和非同步进化问题的理想样本是飞蛾。这是因为飞蛾使用同步飞行，但进化记录告诉我们，它们的祖先也使用异步飞行。

佐治亚理工学院的研究人员首先试图测量是否可以在飞蛾肌肉中观察到异步特征。通过对肌肉的机械特性分析，他们发现，即使没有使用，飞蛾仍然保留了异步飞行肌肉的物理特征。

一只昆虫怎么能同时拥有同步和异步属性，还能飞呢?为了回答这个问题，研究人员意识到使用机器人可以让他们进行永远无法在昆虫身上进行的实验。例如，他们将能够为机器人配备能够模拟异步和同步肌肉组合的马达，并测试在数百万年的飞行进化过程中可能发生的转变。

加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的机械和航空航天工程教授、该论文的资深作者之一尼克·格拉维什说，这项工作突出了机器人物理学的潜力——利用机器人研究生命系统物理学的实践。

格拉维什说:&#quot;我们能够理解异步和同步飞行之间的过渡是如何发生的。”&#quot;通过制造一个扑翼机器人，我们帮助解答了生物学中的一个进化问题。”

在格拉维什的实验室获得博士学位的詹姆斯·林奇(James Lynch)是这篇论文的主要合著者之一，他说，从本质上讲，如果你想了解动物或其他东西是如何在它们的环境中移动的，有时制造一个具有与这些东西相似特征并在相同环境中移动的机器人会更容易。

西顿希尔大学(Seton Hill University)生物学助理教授布雷特·艾洛(Brett Aiello)是该研究的第一作者之一，他说:&#quot;这里最大的进化发现之一是，这些转变是在两个方向上发生的，而不是异步肌肉的多个独立起源，实际上只有一个。”他是在乔治亚理工学院西蒙·斯彭伯格教授的实验室做博士后研究时做这项研究的。&#quot;从这个独立的起源开始，发生了多次重新同步的修订。”

建立昆虫的机器人物理模型

林奇和乔治亚理工学院的博士生杰夫·高(Jeff Gau)共同研究了飞蛾，并测量了它们在飞行条件下的肌肉活动。然后，他们建立了一个飞蛾翅膀拍打运动的数学模型。

林奇把这个模型带回了加州大学圣地亚哥分校，在那里他把数学模型转换成命令和控制算法，可以发送给一个模仿飞蛾翅膀的机器人。他制造的机器人最终比飞蛾大得多，因此更容易观察。这是因为在流体物理学中，一个非常大的物体在密度较大的介质中缓慢移动——在这个例子中是水——与一个非常小的物体在更薄的介质中快速移动——在这个例子中是空气——的行为方式相同。

林奇说:&#quot;我们对这个机器人进行了动态缩放，这样这个大得多的机器人移动得慢得多，就代表了一个小得多的翅膀移动得快得多。”

该团队制作了两个机器人:一个是模仿飞蛾的大型扑翼机器人，以更好地了解翅膀是如何工作的，他们将翅膀放在水中。他们还制造了一个更小的能在空气中操作的扑翼机器人(模仿哈佛大学的机器蜜蜂)。

发现、挑战和下一步

机器人和建模实验帮助研究人员测试了昆虫如何从同步飞行过渡到异步飞行。例如，研究人员能够制造出一种带有马达的机器人，它可以结合同步和异步飞行，看看它是否真的能够飞行。他们发现，在适当的情况下，昆虫可以在这两种模式之间逐渐平稳地过渡。

格拉维什说:&#quot;机器人实验为这种进化和转变提供了一条可能的途径。”

林奇遇到了几个挑战，包括模拟机器人周围的流体流动，以及模拟昆虫肌肉被拉伸时的反馈特性。Lynch能够通过尽可能简化模型来解决这个问题，同时确保它保持准确。经过几次实验，他也意识到他必须减慢机器人的运动速度，以保持它们的稳定。

从机器人的角度来看，下一步将包括与材料科学家合作，为翅膀配备类似肌肉的材料。

除了有助于阐明昆虫飞行的进化和生物物理学之外，这项工作对机器人技术也有好处。格拉维什说，配备异步电机的机器人可以快速适应并对环境做出反应，比如在阵风或机翼碰撞时。这项研究还可以帮助机器人专家设计出更好的带有扇动翅膀的机器人。

格拉维什说:&#quot;这种类型的工作可能有助于开创一个响应性和适应性扑翼系统的新时代。”

作者：加州大学圣地亚哥分校

链接：https://www.sciencedaily.com/releases/2023/10/231004132400.htm

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