松鼠登上最新《科學(xué)》封面“跑酷”高手究竟是怎樣煉成的

如果動物世界也有奧運會的話，那么松鼠想必是嚙齒動物中當之無愧的體操冠軍，除了絕佳的平衡能力，它們甚至可以在細窄的樹枝或者陡峭的地形之間優(yōu)雅地跳躍。

近日，一項研究發(fā)現(xiàn)，當野生松鼠們在高處的復(fù)雜地形中穿梭時，為避免由于不小心墜落而喪命，它們會瞬間測算出自身位置到落點之間的精準距離，并及時調(diào)整動作以完成最佳跳躍。針對一些特別危險的地形，它們甚至可以像表演雜技一樣在空中自由騰挪，如同一個天生的“跑酷達人”。

為了弄清楚松鼠瞬間測算能力的形成原因，來自美國內(nèi)布拉斯加大學(xué)生物力學(xué)系的助理教授納撒尼爾·H·亨特和團隊進行了一系列關(guān)于松鼠跳躍行為的評估實驗。

實驗證明，生物力學(xué)能量控制和試錯學(xué)習(xí)之間的相互協(xié)同作用，或是決定松鼠實現(xiàn)精準跳躍的主要因素。相關(guān)研究以論文形式發(fā)表在《科學(xué)》。

該論文以《雜技松鼠學(xué)會在樹枝上跳躍和著陸而不墜落》為題，納撒尼爾·H·亨特擔任通訊作者。

松鼠登上Science封面

松鼠如何成為跑酷高手？

松鼠跳躍以獲得著陸點的花生獎勵

“松鼠是在樹梢間穿梭的高手，從一個樹枝跳到另一個樹枝不會摔倒。作為熟悉平衡和敏捷性生物學(xué)極限的模式生物，我認為松鼠是首屈一指的。此外，他們也是二維和三維空間定位的大師——通過感官線索在空間中移動?！焙嗵乇硎?。

為了觀察松鼠的跳躍行為，亨特選擇了伯克利校區(qū)自由放養(yǎng)的松鼠作為研究對象。據(jù)了解，該校區(qū)擁有兩種松鼠物種，分別是東美松鼠和狐貍松鼠。

該團隊對這些松鼠們傾注了大量心血，為了準確觀察到松鼠每次跳躍的區(qū)別，研究人員通過注射器將不同顏色的染料標記在每只松鼠的毛皮上，以跟蹤松鼠的日常。他們甚至在在校園西側(cè)的小森林區(qū)域建造了一個戶外障礙訓(xùn)練場，用以模擬不同樹枝間距離或者高度的差異。

實驗裝置包括一個坡道，以及通向不同柔韌性和剛度模擬樹枝的發(fā)射平臺，而在著陸點附近還有一個盛著花生的杯子，以激勵松鼠在發(fā)射平臺和著陸點之間進行跳躍。一旦松鼠從杯子里取下花生，團隊就開始逐漸增加橫梁末端和著陸平臺之間的間隙。大多數(shù)松鼠在30分鐘內(nèi)就掌握了這項任務(wù)。

實驗過程中，改變松鼠起跳點的靈活性對實驗結(jié)果至關(guān)重要，因為它迫使參與的松鼠在穩(wěn)定性和跳躍距離之間找到可行的權(quán)衡。因此，研究人員在實驗中為松鼠逐漸增加了難度，增加了樹枝的靈活性或剛度范圍以及最小間隙距離。

但是松鼠很快就想出了如何改變它們跳躍的生物力學(xué)的方法，當從更靈活的模擬樹枝上跳下來時，它們會更加謹慎。

在一系列的實驗驗證下，該團隊發(fā)現(xiàn)松鼠在實施跳躍行為的時候，會根據(jù)環(huán)境的具體情況實時調(diào)整自己的跳躍動作，比如改變起跳點和著陸點的位置等。不過松鼠們也是在嘗試了幾次后才能熟練掌握這種方式，即它們會通過不斷學(xué)習(xí)來提高自身適應(yīng)環(huán)境的能力。

復(fù)雜環(huán)境下動態(tài)決策至關(guān)重要

雖然在人類觀察者看來，松鼠的生活無比單調(diào)，基本在重復(fù)著吃、睡、爬等步驟，但不可否認的是，松鼠也會涉及到精細調(diào)整的認知技能。

此外，松鼠擁有著強大的空間記憶能力，它們會在秋季的6周到8周內(nèi)搜集冬季所需的堅果和橡子，將每個堅果分別埋起來，并在數(shù)月之后憑借記憶再來取回。也正由于這種記憶認知，松鼠成為了專門的種子傳播者。

亨特認為，對松鼠的研究為人類運動研究人員和工程師分享的“在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中決策、學(xué)習(xí)和行為的作用”提供了新的見解?！斑@種適應(yīng)跳躍和著陸結(jié)構(gòu)的力學(xué)和幾何形狀的行為靈活性，對于準確跨越間隙以降落在小目標上非常重要。”亨特表示。

事實上，亨特團隊針對松鼠的第一個實驗正是側(cè)重于決策。該團隊在跳躍平臺上使用了3個具有不同柔韌性的模擬樹枝：一根樺木桿、一根塑料管和一根覆蓋黃銅桿的塑料管，借以觀察松鼠用來調(diào)整太快或太慢的跳躍動作后幾種不同的著陸動作。

例如，如果松鼠跳躍時越過著陸平臺，它們會繞著樹枝向前滾動；如果它們跳得有點短，它們會用前腿抓住樹枝并在樹枝下擺動，拉起自己去拿花生；但有時，松鼠的跳躍也會恰到好處。

研究團隊驚訝地發(fā)現(xiàn)，松鼠有時會采取創(chuàng)新的、類似跑酷的動作來縮小差距并獲得美味的花生，即在跳躍中重新調(diào)整身體的方向以獲得更平滑的降落方式。為了測試松鼠采取這種策略的頻率，該團隊同時調(diào)整了間隙距離和著陸高度。

結(jié)果顯示：10只松鼠總共完成了324次該種跑酷跳躍試驗，尤其在中跳和長跳中，松鼠們都非常一致地使用了這種動作。這意味著適應(yīng)性跳躍、學(xué)習(xí)控制和反應(yīng)穩(wěn)定操作的行為對松鼠成為跑酷高手起著至關(guān)重要的作用。

“目前，還沒有像松鼠那樣敏捷的機器人，也沒有能夠在復(fù)雜環(huán)境中學(xué)習(xí)或做出動態(tài)任務(wù)決策的機器人——但我們的研究表明了這種機器人需要的各種能力。這變得更具挑戰(zhàn)性，因為你還必須評估你的環(huán)境?！焙嗵乇硎?。

接下來，該團隊將繼續(xù)研究松鼠生物力學(xué)的復(fù)雜性及其與認知的聯(lián)系，希望有朝一日能制造出具有類似松鼠跳躍能力的機器人。