樹棲鳥類可以隨意降落在大小和紋理各異的棲木上。力量測量和視頻分析顯示，鳥類穩(wěn)定降落的能力主要依賴于它們能又快又穩(wěn)地調(diào)整腳墊和鋒利的爪子。
只要稍微觀察一下飛翔的小鳥、蝙蝠和昆蟲，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些生物可以嫻熟且毫不費(fèi)力地在各種表面著陸和起飛，無論是樹枝、電話線、花朵還是巖石。相比之下，客運(yùn)飛機(jī)通常需要又長又平的跑道才能完成同樣的任務(wù)，即便如此，起飛或降落也容易發(fā)生事故。隨著航空無人機(jī)的應(yīng)用場景不斷增多1-4，小型無人機(jī)在空氣動(dòng)力學(xué)和能源效率上面臨種種挑戰(zhàn)5，研究人員想要開發(fā)出新的無人機(jī)設(shè)計(jì)，提高它們?cè)谝幌盗袕?fù)雜表面的著陸成功率。Roderick等人 6在《eLife》上發(fā)表的文章分析了太平洋鸚哥 （ Forpus coelestis ） 如何在不同種類的棲木上降落，為這些鳥類的著陸方式提供了新見解。
之前的研究7通過分析鳥類、蝙蝠和陸地哺乳動(dòng)物的腳和爪子，研究了這些脊椎動(dòng)物是如何抓住物體表面的。這項(xiàng)研究采用的方法包括用來確定足、趾和爪幾何形狀的比較形態(tài)學(xué)分析、動(dòng)物運(yùn)動(dòng)研究（名為描述運(yùn)動(dòng)學(xué)）或靜態(tài)握力測試。從分析中可以看出，動(dòng)物的爪形隨動(dòng)物體型大小，以及它們?cè)谧匀画h(huán)境中的常規(guī)用爪方式而異。比如，用于地面奔跑和轉(zhuǎn)換方向的爪子通常比用于攀登的爪子更深、彎曲度更小。但是，動(dòng)物如何利用腳和爪子的力量支持它們平穩(wěn)著陸，比如鳥兒如何在樹枝上停留等，仍缺乏動(dòng)力學(xué)和力量方面的研究。
太平洋鸚哥是一種樹棲鳥類，原產(chǎn)于厄瓜多爾和秘魯?shù)纳搅种小oderick等人研究了這種鳥在七種直徑和紋理各異的天然或人工棲木上的著陸方式（圖1），包括粗糙、柔軟和光滑的表面。研究人員一共測試了三種樹的枝椏，其中一種樹名為異木綿 （ Ceiba speciosa ） ，多見于這種鳥類的自然棲息地。
圖1 | 太平洋鸚哥（ Forpus coelestis ）在棲木上的降落方式。 Roderick等人 6利用各種方法和高速視頻記錄，評(píng)估了鳥類在著陸過程中受到的各種力。 a）當(dāng)一只小鳥快要著陸時(shí)，它的翅膀、身體和腿的姿勢都與之前研究8,9相一致，表明鳥類在著陸時(shí)會(huì)利用視覺線索為降落做準(zhǔn)備。在這個(gè)階段，鳥兒的腳趾和爪子處于伸展?fàn)顟B(tài)。b）當(dāng)鳥快要與棲木直接接觸時(shí)，它的腳趾開始收攏，這一過程名為“預(yù)成形”。c）當(dāng)鳥的腳趾接觸到棲木時(shí)，腳趾會(huì)迅速包裹棲木并用力擠壓。d）鋒利的爪子開始彎曲。如果棲木表面光滑，整個(gè)過程會(huì)非常快（1-2毫秒）。
為了能獨(dú)立測量棲木的前后著陸面，作者將棲木分為兩半，各自固定在一個(gè)力與力矩傳感器上，記錄鳥兒感受到著陸力和旋轉(zhuǎn)暴力的時(shí)間和特征；兩種力量都受到著陸方法的影響。作者還測量了鳥兒著陸時(shí)腳和爪子 產(chǎn)生的擠壓力。將這些測量數(shù)據(jù)與鳥兒翅膀、身體、腿、腳和爪子著陸運(yùn)動(dòng)的近距離高速視頻記錄相結(jié)合，可知與穩(wěn)定棲停相關(guān)的著陸過程的詳細(xì)信息（論文視頻參見go.nature/2nbfhtq和go.nature/2perfs9）。
作者報(bào)告說，鳥類在任何一個(gè)特定的棲木上著陸時(shí)，其翅膀和腿的運(yùn)動(dòng)方式是一致的，著陸力和旋轉(zhuǎn)暴力在每個(gè)著陸過程的時(shí)間范圍內(nèi)會(huì)統(tǒng)一變化。這種著陸策略符合之前的研究結(jié)果 8，9，即鳥類和昆蟲利用視覺線索接近著陸目標(biāo)，以便調(diào)整自己的身體姿勢，在估計(jì)的時(shí)間內(nèi)與著陸面接觸。
著陸的最初階段是預(yù)測階段，隨后是快速調(diào)整階段。這可能需要來自鳥類皮膚、肌肉和關(guān)節(jié)感受器的本體感覺反饋，以及它們與神經(jīng)系統(tǒng)的交流，因?yàn)轼B類需要擠壓棲木、在棲木表面拖動(dòng)腳墊和爪子，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓握。Roderick和同事利用 激光掃描和壓痕測試來評(píng)估棲木表面特征的變化，將鳥類腳趾和爪子感受到的摩擦力與其抓握動(dòng)作關(guān)聯(lián)起來，并顯示鳥兒如何通過調(diào)整爪子，錨定在直徑和表面特征各不相同的棲木上。
對(duì)于較難抓住的棲木表面，比如大直徑的棲木或著陸摩擦小的棲木，鳥兒爪子的彎曲程度會(huì)更大。在這個(gè)抓握階段，腳趾感受到的摩擦力 （對(duì)于一定類型棲木來說是高度一致的）隨后會(huì)加強(qiáng)，趾尖施加于棲木表面的抓力也會(huì)同時(shí)加強(qiáng)且難以預(yù)測。這種策略為鳥兒抓住棲木提供了相當(dāng)于蛇 10和機(jī)器人 11所能達(dá)到穩(wěn)定安全余量，超過人類抓住小物體的安全余量 12。一旦能在棲木上保持平穩(wěn)，鳥兒就會(huì)放松抓力，避免肌肉活動(dòng)帶來不必要的持續(xù)能量消耗。
Roderick和同事的研究有一個(gè)局限，他們沒有調(diào)查神經(jīng)系統(tǒng)在控制握力以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定著陸中的作用。作者指出這些爪子會(huì)做極快 （1-2毫秒）的初始錨定運(yùn)動(dòng)，說明這種運(yùn)動(dòng)可能屬于一種快速的固有彈性機(jī)制，不涉及神經(jīng)控制。然而，在這些極快的動(dòng)作之后，腳趾和爪子會(huì)進(jìn)行一些持續(xù)時(shí)間更長的調(diào)整，或有助于它們建立穩(wěn)定的抓力，從而放松抓握。這些較慢的調(diào)整可能需要通過神經(jīng)系統(tǒng)的本體感覺反饋。這種反饋控制可以通過記錄降落和棲停過程中的肌肉活動(dòng)和力量模式來評(píng)估。另一種方法是用麻醉藥抑制鳥類腳墊中機(jī)械感覺受體的活動(dòng)，借此確定腳墊的感覺反饋是否會(huì)影響這些腳部動(dòng)作以及鳥類的著陸能力。
這項(xiàng)研究的著陸飛行時(shí)間很短，而且是在同一水平面上的棲木之間進(jìn)行的。然而，太平洋鸚哥在覓食時(shí)可能會(huì)飛到高處或低處的棲木。 因此，考察它們的身體朝向和著陸力是否會(huì)隨著陸飛行的軌跡變化也是非常有趣的。也許，這種飛行在著陸過程的早期階段與作者發(fā)現(xiàn)的模式并不一致。但無論如何，Roderick和同事的詳細(xì)生物力學(xué)分析為進(jìn)一步探究腳部、腳趾和爪子如何幫助動(dòng)物穩(wěn)定抓住表面的研究工作提供了重要的路線圖。
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原作者: Andrew A. Biewener
原文以Getting to grips with how birds land stably on complex surfaces為標(biāo)題發(fā)表在2019年10月7日的《自然》新聞特寫上
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