結(jié)合成像技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)建模和機(jī)器人飛行：昆蟲(chóng)翅膀鉸鏈的工作原理

近日，據(jù)《自然》雜志發(fā)表的一項(xiàng)研究稱，美國(guó)加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)結(jié)合成像技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)建模和機(jī)器人飛行，首次揭示了昆蟲(chóng)翅膀鉸鏈的工作原理。對(duì)這種復(fù)雜關(guān)節(jié)的分析，或促進(jìn)人們理解飛行演化過(guò)程，帶來(lái)仿生學(xué)和生物力學(xué)的創(chuàng)新。

昆蟲(chóng)是最早演化出飛行能力的動(dòng)物。它們的翅膀與翼龍、鳥(niǎo)和蝙蝠等其它飛行動(dòng)物有區(qū)別。昆蟲(chóng)的翅膀不是從四肢演化而來(lái)，而是用一種獨(dú)特的復(fù)雜鉸鏈連接翅膀和身體。這種鉸鏈?zhǔn)且粋�(gè)由名為“骨片”的五個(gè)復(fù)雜元素組成的連鎖系統(tǒng)，這些骨片能與肌肉相互作用，幫助翅膀扇動(dòng)。

不過(guò)，翅膀鉸鏈的力學(xué)機(jī)制非常神秘，因?yàn)槌岚蚋�部的四個(gè)關(guān)鍵骨片很難從外部進(jìn)行可視化，它們的移動(dòng)速度很快，拍攝的照片不夠清晰。

科學(xué)家團(tuán)隊(duì)此次將整組骨片控制肌肉的實(shí)時(shí)鈣成像與同步3D超高速攝像相結(jié)合，捕捉到果蠅在一個(gè)電子飛行模擬器中飛行時(shí)的翅膀運(yùn)動(dòng)。他們?cè)?.2萬(wàn)多次翅振數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)了一個(gè)骨片肌肉如何控制翅膀運(yùn)動(dòng)的模型，再用一次微型機(jī)器人飛行測(cè)量了這些骨片肌肉的空氣動(dòng)力學(xué)作用。這個(gè)模型隨后用一次自由飛行的物理模擬進(jìn)行了驗(yàn)證，其對(duì)骨片肌肉活動(dòng)的調(diào)整，囊括了自由飛行的所有已知操控。

這些結(jié)果共同提出了一個(gè)可信的鉸鏈物理機(jī)制，以及可供進(jìn)一步驗(yàn)證的多個(gè)假說(shuō)。此外，隨著果蠅神經(jīng)連接詳細(xì)圖譜的完成，團(tuán)隊(duì)期待他們的結(jié)果能促進(jìn)對(duì)昆蟲(chóng)飛行控制環(huán)路的更深理解。