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360度无死角的闪电伏击,它可能才是你在野外最不想遭遇的对手

曾昱 发表于  2018-02-13 12:10

伏击是自然界许多捕食者擅长的技能。许多伏击的捕食者利用快速的袭击捕捉或击打猎物,比如蛇和螳螂虾。只有快于猎物的逃逸反应速度,这些伏击才能成功。并且,大部分已知的袭击方式是向前方快速袭击,所以攻击范围局限于捕食者的前方。如果捕食者能够把袭击的直线运动和转体运动结合起来,就能袭击来自各个方向的猎物。刚刚发表在《实验生物学报》(Journal of Experimental Biology)上的一篇论文,就描述了一种新的袭击方式——全方向袭击(omnidirectional strike)。

【视频1】高速摄影机镜头里,拟扁蛛360度无死角的全方位闪电伏击。视频来源:参考文献

这篇论文的主角拟扁蛛(Selenopidae)能够袭击360度范围内来自任何方向的、五个身长距离以内的猎物。同时,拟扁蛛的转体速度最快能达到3000度/秒,是目前记录到转身动作最快的有腿动物。

拟扁蛛(Selenopidae)图片来源:曾昱

该研究由第一作者,来自加州大学的曾昱博士,和来自加州科学院的Sarah Crews合作完成。这次合作始于2008年两人的一次闲谈。彼时,两人还是加州大学伯克利分校的博士生。Sarah提到她研究的蜘蛛速度很快,曾昱便提议拍一些高速录像看看。在七八年之后,两人有机会拍摄了更多的录像,并最终完成了论文。

拟扁蛛与普通蜘蛛的对比,图片来源:曾昱

拟扁蛛的特殊能力得益于它们有着特殊关节构造的长腿。每条腿有两个身长,并且股-膝关节(femur-patella joints)的旋转轴几乎垂直于地面。这样,脚尖跗节(tarsus)在贴近地面时运动范围就非常大。

拟扁蛛不仅腿长,还能看到后方的猎物。图片来源:曾昱

当蜘蛛感受到猎物时,靠近猎物的腿就锚定在地面上并屈折(flexion)把身体拉向猎物, 另一侧腿作出伸展动作(extension)并蹬地。这些运动产生指向猎物的地面反应力(ground-reaction force)以及把身体前方转向猎物的扭矩。

拟扁蛛的狩猎步法。图片来源:曾昱

八条腿指向不同的方向,仿佛组成了一个能够即时启动的机械系统,并且效率非常高。拟扁蛛的一次袭击往往由靠近猎物的1-2条腿和身体另一侧的0-3条腿完成。与此同时,其他的腿在加速过程中快速往身体中心收缩,协助提高转动的速度。花样滑冰运动员在冰上旋转时,向内收拢手和腿来提速,也是一样的原理。

拟扁蛛的眼睛能够看到身后的猎物。图片来源:曾昱

这项特殊能力让拟扁蛛能够以极高的成功率袭击来自各方向的猎物。它们最快的转体速度3000度/秒,相当于在一眨眼的时间内(0.3秒)转3圈。更令人惊奇的是,无论猎物的直线距离和方位,所有袭击在0.12秒内完成。所以,蜘蛛们用更快的线速度和角速度袭击更远的和更靠后的猎物。

【视频2】拟扁蛛的捕食运动模型,对仿生机器人的设计提供新的灵感。重建后的攻击动作,俯视视角。前半部分:简化为多关节系统的袭击动作。后半部分:将每只脚与身体质心相连,以展示每条腿在水平面上的变形。视频来源:曾昱

除了描述一个新的捕猎行为和极端的机动性,改研究也展示了节肢动物的多关节腿脚构造对快速运动的适应。生物多样是工程应用方面的重要资源。该研究对未来仿生机器人的设计有许多启发。当前的有腿机器人还不能完成类似的运动,而将来的工程师也许能够以此为灵感,开发出能在狭小的空间内完成快速的转体的有腿机器人。(编辑:明天)

参考文献:

  1. Zeng, Y. and Crews, S. (2018). Biomechanics of omnidirectional strikes in flat spiders. J. Exp. Biol. 221, doi:10.1242/jeb.166512.

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全部评论(5)
  • 1楼
    2018-02-13 16:23 天降龙虾
    引用文章内容:将来的工程师也许能够以此为灵感,开发出能在狭小的空间内完成快速的转体的有腿机器人。

    干什么?当伏击杀手么????

    [1] 评论
  • 2楼
    2018-02-13 17:30 汉尼拔wang

    一直觉得像章鱼、蜘蛛这样的八条腿生物才是机器人开发的方向,人类的结构缺陷太多。

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-02-14 02:25 地球上的裸猿

    拟扁蛛的眼睛能够看到身后的猎物。——这个,很强大。

    [0] 评论
  • 4楼
    2018-02-16 10:02 龙灵子
    引用@天降龙虾 的话:干什么?当伏击杀手么????

    搜索幸存者,侦察,探索地下复杂结构,
    武器平台

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-02-22 22:58 AI油泳的鹰 勘查技术与工程专业,编程爱好者

    又叫360蜘蛛?

    [1] 评论

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曾昱
曾昱 四川人,生物力学与进化生物学,虽然在马来雨林吃过咖喱豪猪配凉拌榴莲,但傣味包烧依然让我魂牵梦绕。

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