科学家揭开美洲蟋蟀蛙水面"滑行"超能力背后的秘密

蟋蟀蛙原产于弗吉尼亚州和北卡罗来纳州，它们在水面上滑行的能力令人难以置信，挑战了我们对物理学和动物行为的认知。最新研究发现，看似水上舞蹈的动作实际上是一系列快速下沉跳跃。 这一令人惊奇的洞察力推动了我们对动物运动的理解，并对开发先进的机器人和受大自然设计启发的水陆两栖无人机具有潜在的意义。

研究生研究员塔莉娅-魏斯在观察一只蟋蟀蛙。 图片来源：杰克-索查

青蛙可以在水上行走吗？

一些青蛙物种以其看似不可能的能力吸引了科学家和自然爱好者的目光，它们可以在水面上跳跃，就像无视地心引力一样。 在这些非凡的青蛙中，有一种原产于弗吉尼亚州和北卡罗来纳州的蟋蟀蛙。 它在水面上的动作不仅引人入胜，而且还可能为未来机器人、水上船只设计和其他技术的创新提供启示。

机械工程系塞缪尔-赫里克教授杰克-索查（Jake Socha）领导着一个研究小组，对板球蛙的独特技能"滑行"进行研究。这个术语指的是青蛙在水面上进行多次快速跳跃的能力。他们的研究结果详见《实验生物学杂志》（Journal of Experimental Biology），研究生研究员塔利亚-韦斯（Talia Weiss）是该研究的第一作者。

"1949年，一位博物学家用'Skittering'来描述青蛙'在水面上跳跃'的行为，从那时起，这种行为就被用于所有后续文献中，"魏斯说。"这项研究不仅要研究蟋蟀蛙的这种行为，还要尝试给'滑行'一个更准确、更科学的定义。"

它们是如何做到的？ 索查的研究小组成员在研究中发现，流行观点普遍认为青蛙过水时不会下沉，但要做到这一点可能仍需要高度专业化的解剖结构。 这种青蛙有什么是其他青蛙没有的？

索查说："我们的实验室研究了一系列动物，许多动物都表现出了在环境中穿梭的迷人行为。不起眼的蟋蟀蛙就生活在附近，但它的能力仍然让我们感到惊讶，这进一步激发了我们了解生物世界的好奇心。"

蟋蟀蛙是北美洲最小的青蛙之一，可以轻松地坐在普通成年人手掌的拇指上。 为了观察蟋蟀蛙的动态，研究小组成员使用了高速摄像技术。 他们记录了青蛙在陆地和水中跳跃的过程，观察它们在这两种情况下的腿部运动。

研究小组发现，青蛙每次跳跃都会下沉。 虽然"滑行"给人的印象是青蛙自由自在地跳跃，但只有它们的脚能穿透水面，而录音却显示了不同的画面。 索查、韦斯和他们的队友看到，每次青蛙从跳跃中下来时，整个身体都会浸入水中。 这种动作不像青蛙在水面上自由地跳跃和舞蹈，而更像是"扑通"和"跳跃"。 它们的动作被称为"porpoising"可能更恰当，因为江豚或海豚就是用这种动作从水面下跃入空中的。

蟋蟀蛙以前之所以在水面上跳舞，主要是因为它们的运动速度很快。

为了记录这种超快的运动，研究小组使用了一个 20 加仑的玻璃缸，并将青蛙放进其中。 高速摄像机以每秒 500 帧的速度对准玻璃缸的侧面，捕捉水面上下的动作。 当青蛙跃起时，摄制组捕捉到它们逃跑的画面。

然后将镜头放慢到原来速度的一小部分。 观看录像后，小组成员得出了惊人的结论： 青蛙确实沉了下去。

索查说："我们很容易被动物的快速动作所迷惑，这太令人着迷了。在这里，我们被一只青蛙骗了，它看起来像一块跳动的石头，但实际上是在连续多次跳跃和灌水。 青蛙是跳跃能手，但大多数青蛙都没有这种潜泳行为，我们还不知道原因何在。 是青蛙的跳跃有什么特别之处，还是仅仅因为体型小？"

通过慢动作观察，小组成员可以观察到青蛙伸缩四肢时的动作。 他们还注意到，青蛙身体与水线的角度也是影响其在水中保持平衡的一个因素。 他们将每个跳跃周期细分为：

从水下位置起飞

空中，或跳水后在空中的时间

再入水，回到水中

恢复，为下一跳复位

在一秒钟多一点的时间里，青蛙就会在完全沉入水下的情况下起飞，伸出双脚在水下用力推动身体浮出水面。 在空中移动时，它的后腿保持伸展，前腿从压住身体移动到向前伸展。 再入水时，伸展的前腿首先落水，后腿在下沉时仍然伸展。 下沉时，后腿缩回并弯曲成跳跃姿势。 再跳一次，重复这一动作。

这基本上是一种腹部翻转。

研究小组观察到青蛙一连做了多达八个跳跃动作，每个动作都在一秒钟内完成。

了解滑行是生物学领域的一个重要发现，但它也蕴含着其他关键因素。 这一发现为未来的生物启发机器人技术提供了新的物理基础。 它可以应用于需要快速部署的水质检测系统，或测量水深的两栖无人机。 这些未来设备可以从大自然中汲取灵感，使用青蛙几个世纪以来一直在使用的、久经考验的方法。

编译自/ScitechDaily