鬆鼠能從(cong) 彎曲的樹枝上跳下來，“飛越”難以置信的距離，在牆壁上“著陸”，然後迅速跑走。

　　作為(wei) 天生的“跑酷高手”，鬆鼠如何判斷自己能跳多遠？人們(men) 能否學習(xi) 其靈活身姿確保運動更有效？機器人又能否“學習(xi) ”它們(men) 評估自身的能力？

　　近日，刊登於(yu) 《科學》的一項研究試圖找出這些問題的答案。研究人員通過分析鬆鼠在穿越樹冠、高空跳躍時所做的瞬間決(jue) 定，了解它們(men) 如何認識到自己敏捷性的極限，從(cong) 而幫助開發在不同環境中靈活移動的機器人，例如搜救機器人。

　　跳還是不跳？ 

　　《中國科學報》從(cong) 美國加州大學伯克利分校獲悉，該校生物學家Robert Full在過去幾十年裏致力於(yu) 研究壁虎、蟑螂和鬆鼠等動物是如何移動的，以及其身體(ti) 和四肢如何幫助它們(men) 突破困境。

　　但是，這些動物如何決(jue) 定是否跳下去？很顯然，運氣不可能讓每次看似極限的跳躍都成功。“動物必須將行為(wei) 與(yu) 局部條件相匹配，產(chan) 生關(guan) 於(yu) 哪些動作是可行的知覺信息，然後從(cong) 可能性選項中選擇適當的那些。”未參與(yu) 該研究的紐約大學的Karen Adolph和東(dong) 北俄亥俄醫科大學的Jesse Young在同期發表的評論文章中寫(xie) 道。

　　為(wei) 了找到答案，Full和內(nei) 布拉斯加大學生物力學助理教授Nathaniel Hunt等人觀察了自由放養(yang) 的鬆鼠。在加州大學伯克利分校的桉樹林裏，他們(men) 用食物誘使鬆鼠進入一個(ge) 合適觀察的環境。在這裏，它們(men) 必須決(jue) 定是跳過去吃花生還是放棄食物。

　　“樹冠是研究感知—行為(wei) 耦合的理想自然實驗室。對樹棲動物而言，錯誤可能會(hui) 帶來嚴(yan) 重後果，如摔傷(shang) 是造成其肢體(ti) 骨折的主要原因。因此，它們(men) 必須避免錯誤或迅速糾正錯誤。”Adolph和Young說。

　　Full發現，鬆鼠要從(cong) 樹枝上跳躍時，樹枝越脆弱或越順滑，它們(men) 就越謹慎。而且，鬆鼠隻做了幾次嚐試就適應了不同的環境。

　　“當跨越一個(ge) 缺口時，它們(men) 會(hui) 衡量樹枝的彈性和必須跨越的缺口大小，以決(jue) 定從(cong) 哪裏起跳。”Hunt告訴《中國科學報》，“當它們(men) 遇到具有新的力學特性的樹枝時，會(hui) 在幾次跳躍中調整起跳動作。”

　　在鬆鼠做決(jue) 定時，起跳樹枝的彈性和跳躍距離並非同樣重要。事實上，樹枝彈性比間距重要6倍。這可能是因為(wei) ，鬆鼠知道如果計算錯誤，鋒利的爪子可以拯救自己。

　　“它們(men) 的爪子幾乎萬(wan) 無一失，以至於(yu) 鬆鼠從(cong) 來沒有掉下來過，盡管它們(men) 有時會(hui) 跳得過高或過低。”Hunt說，“它們(men) 並不總能取得最好的‘成績’，但隻要足夠優(you) 秀就可以了。即便跳偏了，它們(men) 也能夠抓住樹枝。”

　　這就是鬆鼠尋找最佳跳躍策略時創新性發揮作用的地方。

　　從(cong) 嚐試中學習(xi) 在學習(xi) 中創新 

　　除了鬆鼠如何判斷起跳動作，研究人員還量化了它們(men) 如何根據著陸點的穩定性實時改變降落動作以及在空中的姿態。結果發現，如果鬆鼠騰空而起時速度過快或過低，它們(men) 可以采用各種靈活的著陸方式進行機動補償(chang) 。

　　如果跳得太遠，它們(men) 就會(hui) 繞著樹枝向前翻滾；如果跳得太近，它們(men) 會(hui) 用前腿著陸，然後在樹枝下麵搖擺，並用爪子把自己拉到樹枝上麵。“這種自適應規劃行為(wei) 、學習(xi) 控製性和反應穩定性操作的結合，幫助它們(men) 在樹枝間快速移動而不會(hui) 掉下來。”Hunt說。

　　騰空而起後，鬆鼠也有令人意想不到的創新。在複雜的跳躍過程中，它們(men) 通常會(hui) 調整身體(ti) 方向，從(cong) 垂直的表麵推下去，就像人類“跑酷”一樣，調整到合適的速度，確保更好地著陸。

　　而支撐鬆鼠完成這一係列決(jue) 策過程和動作的關(guan) 鍵因素之一就是大腦。鬆鼠和其他居住在樹上的齧齒動物進化出了比穴居動物更大的大腦。這種更強大的腦力賦予了它們(men) 在林地茁壯成長所需的關(guan) 鍵能力，包括更好的視力和運動技能。

　　英國愛丁堡大學研究人員對38種現存和滅絕的齧齒動物的頭骨進行了CT掃描，以研究動物大腦是如何隨時間變化的。刊登於(yu) 《通訊—生物學》的論文顯示，隨著時間的推移，鬆鼠大腦的相對大小在增加，這主要是由於(yu) 它們(men) 的體(ti) 重急劇下降。而且，大腦中與(yu) 視覺和運動技能有關(guan) 的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵區域的新皮層變得更大，幫助穩定眼球運動的岩狀小葉也增大了。研究人員表示，這些區域的擴大有助於(yu) 棲息在樹上的齧齒動物適應複雜環境中的生活。

　　此外，Hunt等人認為(wei) ，試錯學習(xi) 在單個(ge) 跳躍過程中控製了可用性知覺。成年鬆鼠一生都在學習(xi) ，不斷積累環境和動作之間關(guan) 聯的經驗，所以發育過程也是動物學會(hui) 測量和調整自己動作的關(guan) 鍵環節。

　　有效運動在於(yu) 匹配環境 

　　在自然界中，動物總是具有非凡的運動能力：蟎蟲能舉(ju) 起相當於(yu) 其體(ti) 重1000倍的重量，螳螂蝦以子彈般的力量攻擊獵物，遊隼以539.13公裏/小時的速度俯衝(chong) 向獵物。即使是人類嬰兒(er) 在自由玩耍時，每小時也能移動相當於(yu) 8個(ge) 足球場的距離。然而，在現實世界中，動物的運動並不總處於(yu) 最強、最快或最活躍的狀態。

　　“確切地說，有效的行動是一個(ge) 每時每刻將身體(ti) 狀態與(yu) 環境特征相匹配的過程。也就是移動必須因地製宜。”Adolph說，“人類對運動的感知也是一個(ge) 迭代過程，在這個(ge) 過程中，在可變環境中移動的經驗產(chan) 生了新啟示，新啟示反過來又促進了新經驗。鬆鼠和其他樹棲動物在學習(xi) 如何在樹冠上跳躍時，很可能表現出了類似的校準能力和創造力。”

　　現實世界中的運動需要靈活性和創造力。“我認為(wei) 鬆鼠是理解平衡和敏捷的生物學極限首屈一指的模型生物。”Hunt說，“如果我們(men) 能了解鬆鼠是如何做到這一點的，那麽(me) 會(hui) 發現在樹冠和其他複雜地形下，適用於(yu) 其他動物和機器人高性能運動的一般原則。”

　　“我認為(wei) 這是下一個(ge) 前沿領域，即身體(ti) 是如何決(jue) 定運動的。這是一個(ge) 重要的基礎生物學問題。”Full說，他們(men) 將繼續探索動物生物力學能力和認知能力之間的相互作用。

　　顯然，這個(ge) 實驗證明了每個(ge) 人都知道的一點：在複雜樹林中，鬆鼠是聰明的雜技演員。

　　相關(guan) 論文信息：https://doi.org/10.1126/science.abe5753 

　　https://doi.org/10.1126/science.abj6733

　　https://doi.org/10.1038/s42003-021-01887-8

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