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科学家发现壁虎尾巴神奇功能 可决定生死(图)

http://www.sina.com.cn 2008年03月19日 08:16  新浪科技
科学家发现壁虎尾巴神奇功能可决定生死(图)
壁虎
 
科学家发现壁虎尾巴神奇功能可决定生死(图)
壁虎向下旋转尾巴使得身体向上
 
科学家发现壁虎尾巴神奇功能可决定生死(图)
在风洞中滑翔的壁虎利用尾巴保持直立

  新浪科技讯 北京时间3月19日消息,据美国物理学家组织网18日报道,动物的尾巴有何妙用呢?据加州大学伯克利分校的新研究显示,对壁虎来说,和大多数动物不同,它可能关系到生与死。

  防止跌落

  据刊登在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文,加州大学伯克利分校的生物学家发现,壁虎依靠它们的尾巴防止从垂直的表面跌落,而且如果真的摔了下来,它们也会依靠尾巴在空中调整自己,就像跳伞运动员一样安全着地。这一发现已经帮助工程师们设计出性能更优秀的攀登机器人,并可能在无人滑翔机或航天器的设计中发挥作用。研究人员表示,或许,设计一种灵活的尾巴可以帮助宇航员在太空工作起来更得心应手。

  据资深作家、加州大学伯克利分校系统生物学教授罗伯特-弗尔介绍,早先在壁虎身上所做的实验集中在它们独特的脚趾上,脚趾是揭秘它们爬上墙并紧贴天花板的关键所在。6年前,弗尔发现,虽然脚爪帮助壁虎爬上粗糙的表面,但数百万用显微镜可见的脚趾茸毛让它们爬上光滑的表面变成可能。

  工程师们受弗尔发现的启发,开始研制象壁虎一样的机器人(比如波士顿动力学公司的RiSE(攀登环境用机器人)、宾夕法尼亚大学的“DynaClimber”以及斯坦福大学的机器人“Spinybot”和“Stickybot”,这时他们才发现,尾巴可能是防止机器人在它们爬上垂直表面时倾斜和滑落的“秘密武器”。

  第五条腿

  当弗尔和加州大学伯克利分校研究生亚当-尤苏菲回到实验室研究壁虎,尤其是东南亚尾巴扁平的蝎虎,如何利用它们的尾巴时,他们发现壁虎的尾巴对应付光滑表面至关重要。弗尔说:“当我们把所有的壁虎赶上标准的表面时,它们没有滑落,而且没有用它们的尾巴。但当我们换成光滑的表面时,我们发现它们有一个活跃的尾巴就像第5条腿一样防止它们向后翻倒。对尾巴来说这是一个隐藏的功能,它告诉我们很多有关‘活跃的’尾巴如何能影响脊椎动物的表现。”

  在高速视频的帮助下,研究人员发现,当壁虎的一条腿丧失牵引力时,它会把尾巴贴到表面以防止向后滑倒直到脚趾再次获得抓握力。这一切仅需几毫秒,因为壁虎能以每秒3英尺的速度爬上一面墙,每秒前进换脚30次。

  研究人员发现,如果壁虎不止一条腿丧失牵引力,它常常会让自己的尾巴平贴着表面以防止在移动中滑落。不管是用贴尾巴还是把尾巴变平的技巧,几乎所有的壁虎都能不费吹灰之力爬上垂直、光滑的墙面。尤苏菲说:“我们确实惊讶地看到,它们能呈60度后倾,回到垂直表面穿过光滑的墙面。”

  与弗尔合作的工程师如今正在为他们的机器人设计这种“活跃的”尾巴以复制这些在壁虎身上可能是自发的移动。研究人员承认了在其它动物中尾巴的有用性:袋鼠靠着它们的尾巴;变色龙、狐猴和新大陆猴用尾巴抓握;恐龙的尾巴可能用于奔跑和走路时的平衡。不过,和这些更静态的用途不同,壁虎的尾巴在高速的垂直攀登和滑行中起着积极的作用。

   四点着地

  在光滑的墙面实验中,尤苏菲和弗尔注意到其它一些有关壁虎在跌落时的情况。在利用尾巴在空中自我调整后它们几乎总是四点着地。用高速视频记录壁虎从一片假树叶上翻倒的经过,他们发现这些壁虎转动尾巴以便它们的身体翻转朝下,然后伸出腿和脚着地。由于壁虎典型的能储存脂肪的大尾巴,这种空中调整是有可能的。

  虽然其他研究人员以前就注意到这种着地,但弗尔和尤苏菲有关尾巴作用的发现实属首次。尤苏菲说:“在哺乳动物中空中调整的特点在于脊柱的弯曲和转动。”自1894年以来,研究人员对猫的空中旋转进行了大量的研究,不管有没有尾巴,猫都能四脚着地。他说:“相比之下,壁虎在将近70%的试验中一直保持四肢和脊柱是绝对静止的,只转动了尾巴直到翻转朝下。”

  此外,在面朝下之后,这些壁虎常常用它们的尾巴在空中调整自己,就像一个跳伞运动员朝目标着陆区滑行一样。在风洞试验中,壁虎居然能在气流中盘旋并利用它们的尾巴移动到固体着陆点。弗尔问:“为什么探究这种超人姿势?我们发现它能让我们利用它们的尾巴改变或控制偏航、倾斜。在野外,它可以让一只壁虎逃脱天敌的捕杀消失在树枝的尽头换到另外一个地方。”倾斜指的是头朝下与尾朝下的相对位置,而偏航则是指向左或向右偏离一条垂直的轴。

   壁虎尾巴的应用

  现在,尤苏菲正在观察野外的壁虎,以弄清这些特技飞行技能是如何在森林中发挥作用的。他说:“我们认为这些动物利用它们的尾巴而不是身体使操纵变得简单。壁虎主要围绕一个轴调整,而哺乳动物的空中调整操纵涉及几个轴,而且需要的协调似乎要多得多。”

  负责加州大学伯克利分校新的“跨学科生物灵感教育与研究中心(以下简称CiBER)的弗尔说:“这一发现是基础研究如何带来意想不到的应用的另一个典范,这些应用包括新的攀登和滑行机器人、高度机动性无人航天器甚至是太空交通工具中的能效控制。”CiBER的目标是发现其中的原理,这些原理将启发来自学术界和各行各业的工程师研制新材料、设计新机器人,还要从工程成功和失败中寻找反馈以提出新的生物学假设。

  尤苏菲和弗尔还在继续研究壁虎如何利用它们的尾巴,而且他们准备研究其它的蜥蜴以确定这种行为有多普遍。(杨孝文)

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