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用生命来“跑酷”!松鼠的生存秘诀,终于被揭开了

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加州大学伯克利分校校园内的松鼠(图片来源:Lawrence Wang, UC Berkeley)

松鼠能够在错综复杂的树梢环境间穿梭、觅食以及躲避捕食者,但它们是如何做到跳越各种间距而不坠落的呢?一项发表于《科学》的研究表明,松鼠的身体灵活性、学习力和决策力的协同作用使它们能够快速、毫不费力地在树梢间穿行。

撰文 | Tess Joosse

翻译 | 王怡博

审校 | 吴非

过去两周,在奥运会上,体操运动员们的高难度动作令人震惊,他们时而空翻、时而跳跃,时而翻转,紧张地争夺着金牌。耀眼的聚光灯下是运动员们近乎超人的表现,而这些常人难以做到的肢体动作需要的是长期的训练和对身体的精准控制。

松鼠的学习力

而在东京奥运会体育场之外,每天也在上演着另外一种杂技表演。在日本的森林里、在世界各地的树梢上,松鼠游走在树枝间。在自然界的运动场上争夺的就不再是金牌了:松鼠在树梢间的奔波是为了寻找食物,也是为了躲避在空中飞行的捕食者,例如鹰。

Robert Full(论文作者之一,加州大学伯克利分校的科学家)是这样高度评价松鼠的:在具有挑战性且变幻莫测的树梢环境中,它们依然能快速且毫不费力地穿行。但我们并不清楚它们是如何做到跨越自身身长几倍的间隔距离,也不了解它们是如何知道自己的身体具备与生俱来的远距离跳跃能力的。

Full解释道,搞清楚松鼠的身体与大脑之间的协调性不仅可以满足人类的好奇心,还会对智能机器人的设计有所启发,并有可能借鉴到松鼠最好的机体特征:灵活的脊柱、能紧紧抓住树枝的爪子和爪尖。而且松鼠不只是勇敢的体操运动员,还是学习能手。

视频来源:Nate Hunt, UC Berkeley

Gregory Byrnes(锡耶纳学院的研究者,未参与此研究)评价松鼠的记忆力很好:一只蹦跳着穿过公园的松鼠很有可能已经走过这条路,它的大脑早已经规划好了路线。在冬天,随着天气转冷,啮齿动物能够回忆起坚果的存放地,并勤奋地将那些坚果一把一把地捡回来。

Nathaniel Hunt(论文通讯作者,内布拉斯加大学奥马哈分校的生物力学研究者)说,啮齿动物的这种存储习惯使它们区别于其他的树栖动物,如灵长类动物。如果将这种学习能力与反应迅速且灵活的身体特征结合在一起,就能得到一种能力非凡的机器人了。

观察松鼠的运动

为了观察并评价来回跳跃的动物的三种能力表现:决策力、学习力和创新力,研究者决定在加州大学伯克利分校的桉树林里研究野生松鼠的习性。首先,他们就得解决如何让这些野生松鼠参与到实验中的问题,毕竟这对于野生动物来说可不是一件容易的事。

Hunt回忆道,“有时候我们只能停下来,因为总是有些松鼠不能集中于实验。”但幸运地是,大多数松鼠在几次尝试并得到坚果作为回报后就明白了。正如任何一个带着喂鸟器的园丁都知晓的——食物诱惑法可是很有效的。

他们将松鼠放在设有室外障碍的路径上,并用高速摄像机记录它们的跳跃过程。他们诱导松鼠从树枝状的圆木棍上起跳,跨过不同的间隔着陆;其中,圆木棍类似于跳水板的作用。木棍在松鼠的重量下发生弯曲,而弯曲程度取决于松鼠与“树干”之间的距离。这迫使它们得快速做出决定:是要从树枝的尾端起跳来缩短跳跃距离,但伴随着不稳定的过于弯曲的树枝;还是应该从离“树干”较近的地方起跳,但要跨过更长的距离呢?

松鼠的决策力

近日发表在《科学》杂志上的一项研究表明,松鼠对于树枝弯曲度的敏感性比跳跃距离要高6倍。正如Hunt所评价的:“松鼠更容易受树枝弯曲程度的影响,而不是它们要跨过的距离。“

Hunt猜测道,也许是大脑中对自我的信任感在起作用:松鼠更相信自己的跳跃能力,但不确定它们踩着的树枝是否会在某一刻折断而掉下来。当研究者改变树枝的弹性或跳跃距离时,松鼠总能快速地调整策略以适应所改变的条件,并在几次尝试后便能学着调整好起跳的速度。


松鼠利用垂直的墙壁调整跳跃状态。图片来源于原论文

真正有趣的是,当研究团队将树枝靠着垂直的墙放置以进一步延长跳跃距离时,松鼠不仅会在树枝间跳跃,还会跳到墙上、再离开,研究者对这一系列类似跑酷的行为进行了定量分析并归类。

Hunt说,松鼠利用这面墙建立了另一个接触点来调整空中的跳跃状态:有时候是为了促使它们往前走,有时候则是为了使它们能刹住脚步以减缓速度。除了墙以外的任意物体都有可能被松鼠用来满足它们的跳跃需求。Full解释道,他们并没有预料到墙可以被用来调整跳跃技术,但松鼠就在他们眼前做到了。

另外,在所有的实验测试中,没有一只松鼠摔下来。虽然有些松鼠并没有以最完美的方式着陆:它们可能还悬挂在树枝上或因身体失去平衡而跌倒,但最终都成功落地了。

Byrnes评论道:“这项研究太酷了,它定量了那些动物们能做到,但我们人类还不知道如何描述的行为。”他还比较好奇这些跳跃行为背后的力学特征:跳跃过程中,动物的四肢都做了些什么,以及不同类型的跳跃所需要的能量。

这项研究不仅可以将松鼠运动的原理应用于机器人的制造,还有利于研究者了解松鼠瞬间跳跃时的大脑活动,以及这些跳跃行为随着松鼠的成长会发生怎样的变化。动物在自然界无所不在,而我们只是刚刚开始了解和领会它们是如何奔跑于树梢间的。Full还补充道:“它们非常与众不同,总能富含创造力地做出正确的选择。”

原始论文:

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/697

原文链接:

https://www.scientificamerican.com/article/squirrels-use-gymnastics-to-navigate-treetop-canopies/

来源:环球科学

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