昆虫如何进化到超高速飞行

蛾和蜜蜂飞行比较。昆虫鸣谢:uux.cn/乔治亚理工学院/罗布·费尔特
（神秘的何进化地球uux.cn）据佐治亚理工学院：蚊子是飞行最快的昆虫之一。它们每秒扇动翅膀800次以上，超高就能达到它们的速飞速度，因为它们翅膀上的昆虫肌肉扇动的速度比神经系统告诉它们跳动的速度要快。
这种异步跳动来自飞行肌肉与昆虫弹性外骨骼的何进化物理相互作用。这种神经指令和肌肉收缩的超高分离只在四种不同的昆虫群体中普遍存在。
多年来，速飞科学家们认为这四个群体分别进化出了这些超快翅膀，昆虫但佐治亚理工学院和加州大学圣地亚哥分校的何进化研究表明，它们从一个共同的超高祖先进化而来。这一发现表明进化反复开启和关闭这种特殊的速飞飞行模式。研究人员开发了物理模型和机器人来测试这些转变是昆虫如何发生的。
蛾成为解开飞行进化的何进化关键物种。与蚊子不同的超高是，飞蛾的每一次振翅飞行都是通过同步激活它们的神经系统来调整飞行肌肉的节奏。与其他三种飞行昆虫一样，飞蛾的祖先进化出了异步飞行，但后来失去了这种能力。然而，即使数百万年后，飞蛾仍然保留了异步肌肉收缩的能力。
尽管展示了进化模式，研究人员仍然需要解释昆虫如何在这两种飞行模式之间来回转换。为此，他们将飞行策略映射到物理学家认为的振荡的两种基本方式上。利用生物物理模型和机器人平台，他们展示了这两种策略是一个统一模型的两个方面。如果进化调整一些参数，昆虫可能会突然从同步飞行转变为异步飞行，反之亦然。
“我们的发现对所有不同的实验条件都非常稳健，”佐治亚理工学院的博士毕业生、论文的主要作者之一杰夫·高(Jeff Gau)说。“我们从进化的角度回顾了4亿年前古代昆虫肌肉的行为。”
这项工作本质上是跨学科的，结合了物理学、进化生物学和机器人学的研究人员。该结果发表在10月份的《自然》杂志上的论文“在进化、生理学和机器人物理学中桥接两种昆虫飞行模式”。
同步的
许多昆虫同步飞行，使神经系统脉冲与翅膀运动相匹配。但较小的昆虫没有这种机制，必须更努力地拍打翅膀，这只能在一定程度上起作用。这就是异步飞行的由来。
“随着昆虫变得越来越小，它们的翅膀拍击次数增加到每秒100次，当你开始达到这个速度时，会有一种内在的速度限制，肌肉不能足够快地收缩和放松，”佐治亚理工学院邓恩家族早期职业生涯物理学和生物科学副教授西蒙·斯彭伯格说。“如果它们试图收缩和放松翅膀，它们就会开始重叠，然后最终锁定。”
相反，较小的昆虫已经进化到使用神经系统向肌肉发送活动脉冲，然后无论翅膀是否需要扇动，肌肉都会收缩。只要稍微拉伸一下，肌肉就会激活并自动产生翅膀拍子。异步飞行使翅膀扇动的速度明显快于神经系统每次激活和放松肌肉的速度。
开启进化
虽然这种不同步现象自20世纪50年代就已为人所知，但科学家最初假设昆虫碰巧单独进化出了这种特性。然而，最近出现了关于不同物种如何相互进化的新的系统发育或家谱。利用这些系统发育，研究人员开发了模型来确定异步飞行是如何进化的。
他们的发现非常令人惊讶。异步不是单独进化四次而是所有飞虫只进化一次。随着时间的推移，一些昆虫群体自然失去了这种能力，转而进行同步飞行，而另一些则保持了这种能力。
“这里最大的进化发现之一是，这些转变是双向发生的，而不是使用多个独立的异步肌肉起源，实际上只有一个，”Seton Hill大学生物学助理教授布雷特·艾洛(Brett Aiello)说，他曾在Sponberg的实验室担任博士后研究员，帮助领导这项研究。"从那一个独立的起源，发生了多次回到同步的修正."
模拟飞行的演变
Sponberg将飞行比作振荡的物理概念，振荡可能以两种方式出现:有规律地推动系统，像弹簧或钟摆；相对于自我兴奋，或者当系统机械中的某些东西被拉动时自动开始推回。
“如果你曾经在汽车经销商那里看过那些跳舞的气球人，它会反复上升和下降，”Sponberg说。“那里发生的事情是它在振荡，不是因为你定期戳它，而是你实际上在底部提供了连续的空气喷射，这是重力的一种权衡。”
实际上，异步飞行就像气球一样，因为已经准备好的肌肉就像一种自我兴奋。为了研究这如何应用于昆虫，研究人员将重点放在飞蛾上，飞蛾使用同步飞行，但仍然有异步飞行的机制。
建模飞蛾
制作蛾的数学模型和机器人系统展示了是什么导致蛾在两种飞行方式之间转换，并给出了为什么发生这种转换的更完整的图片。Gau开发了肌肉如何为飞行或伸展做准备的数学模型。一旦模型存在，加州大学圣地亚哥分校的机器人团队就将其植入机器人物理模型。
“你不需要机器人来学习生物学，”加州大学圣地亚哥分校的副教授尼克·格拉维什说。“但制造一个受生物启发的机器人，会迫使你设身处地地为动物着想。”
这个团队制造了两个机器人。一个是模仿飞蛾的大型扑翼机器人，以更好地了解翅膀的工作原理，它被部署在水中，水的粘度类似于微小昆虫在空气中的运动。
“这个大得多的机器人移动得慢得多的物理特性类似于一个小得多但移动得快得多的昆虫，”加州大学圣地亚哥分校的博士研究生詹姆斯·林奇说，他是这篇论文的共同领导者。
他们还建造了一个小得多的扑翼机器人，在空气中运行，以复制真实蛾的大小，并模仿哈佛大学的Robobee。机器人展示了研究人员开发的用于解释这两种飞行类型及其转换的两种模型在现实世界条件下是否有效。实际上，他们建造了第一个能够异步拍打的机器人，并证明了一个机器人就可以再现进化的转变。
只有研究人员拥有如此广泛的专业知识和知识，才有可能在进化论、物理学和机器人学方面有所发现。
“这是一种跨学科的研究，对于找到对控制动物运动的自然过程的深刻而有力的理解非常重要，”艾洛说，“以及我们如何将其应用到机器人系统中。”