不只是安全丝跳蛛空中平衡的生物力学关贯之

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　　导读
　　有拉丝的跳蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在落地前稳住身体，平稳落地。
　　文关贯之
　　漫画鄂禹臻
　　我的研究领域叫做比较生物力学，是专门研究非人类的生物运动背后的物理原理，时常要跟不同领域的专家一起合作。由于专业背景的差异，沟通过程会产生许多分歧，其中一部分是来自对严谨的定义。
　　有一个故事是这样的：在一列英国的火车上，有三个科学家坐在一起，分别是生物学家、物理学家与数学家，他们正要参加一个科学聚会。此时火车经过一片草原，窗外有一只黑色的羊正在吃草。生物学家首先开口，他兴奋的说：原来英国的羊是黑色的！物理学家皱了皱眉头说：你们生物学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只是黑色的。然后数学家也皱了皱眉头说：你们物理学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只，这一面是黑色的。
　　这个笑话很生动的呈现了我研究过程中会遇到的场景，由于我自己是生物学背景，所以我通常就是闹笑话的那一个。生物学在动物行为这一方面，有很大一部分的研究基于观察。在描述行为的过程中，生物学家时常会加入主观的臆测，有时候并不完全正确。一个有趣的例子，就是跳蛛在跳跃的时候，为什么要在跳跃起点拉一条丝线？
　　跳蛛科是蜘蛛的一个科，这个分类群里的物种大多数不会结网，而是依靠跳跃捕捉猎物。可能是因为它们跳向苍蝇的动作大有猛虎扑兔之势，因此它们也被称作蝇虎。生物学家发现，虽然跳蛛不太会结网，但是他它腹部仍然会产生蜘蛛丝。跳蛛会在起跳前用腹部末端点一下地面，附着一条丝，等它跳起之后，腹部会一直拉着这条丝，就跟电影中的蜘蛛侠在纽约大楼晃荡一样。如果跳蛛没有跳达预定目标，从空中掉下去，这条丝可让它悬挂在空中，蜘蛛可以拉着丝回到原来位置，或是垂降到地面。因此，生物学家把这条丝称作安全丝，就像是攀岩时用的安全绳。
　　Marvel蜘蛛人（惊奇蜘蛛人vol。41封面）
　　然而具有较强物理背景的生物力学家，对这个说法产生了质疑。从人类的角度来说，从比自己身体高数十倍的位置摔落，当然是一件恐怖的事。但是跳蛛的身体又小又轻，空气阻力对其影响甚大，下落的终端速度应该不快，即使从高空落下，也不见得会受伤。有没有可能这条丝其实有别的功能呢？
　　首先针对这个问题进行研究的是一位高中生，陈永康。他就读台中一中时便对跳蛛拉丝的行为很感兴趣，因此他请了在中兴大学物理系任教的纪凯容博士指导研究。纪凯容博士是我大学专题的指导教授，我们曾经一起合作发现目前已知最快的生物运动速度。可惜陈永康进实验室的时候我还在念初中，没有机会认识。许多跳蛛研究的事情是后来听纪老师说的。陈永康和纪凯容等人以一种校园内常见的跳蛛，安德逊蝇虎（Hasariusadansoni）作为实验对象，在实验室中饲养27只跳蛛。接着，他给跳蛛设计了一个室内跳台，并且用高速摄影机记录安德逊蝇虎跳跃的过程。有趣的是，他发现其中5只跳蛛在跳跃的时候竟然不会从起跳点拉丝。这样一来，刚好有了对照组，可以比较拉丝与否对于跳蛛跳跃运动的影响。经过比较两者跳跃的影片，研究团队发现了这条丝线一个重要的功能：平衡。
　　平衡！这可是生物力学领域的热门项目。别看我们人类可以轻易地在走路、跑步或跳跃时保持平衡，对于机器人来说，平衡是非常难的，尤其是跳跃。一旦起跳时施力的反方向没有通过质心，身体便会在空中旋转，很难平稳落地。而陈永康等人在实验室观察到的跳蛛也发生类似的事情，没有拉丝的蜘蛛会在空中失去平衡，最后摔落在目标物上。反观有拉丝的跳蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在落地前稳住身体，平稳落地。
　　图跳蛛跳跃时平衡丝的重要性（漫画鄂禹臻）
　　实验结果显示，无论跳蛛是否拉丝，都能跳出相似的高度跟距离，但是有拉丝的个体展现出较高的滞空时间、水平减速以及平衡性。两者落地的情况差异最为明显，有拉丝的个体是头前脚后的水平姿势落地，平均只要0。01秒就可以站稳身体，而没有拉丝的个体则是以头上脚下的垂直姿势摔落地面，平均需要花费0。05秒的时间才能站稳身体。拉丝稳定身体的代价，便是消耗较多的机械能。没有拉丝的跳蛛在空中主要受到空气阻力的影响，落地前会损失33的机械能。而拉丝的跳蛛因为透过对丝线的施力改变仰角，连同空气阻力的效应，跳跃过程会损失76的机械能。从生物学的角度来理解这个结果，会发现跳蛛能否平稳降落，很大程度的影响捕食能力，头上脚下的摔落显然难以抓捕猎物。而如果跳蛛正在躲避天敌，要以5倍的时间才能站稳，也可能就此被天敌抓获。
　　这个发现为动物跳跃的平衡方式提出第三种机制。过去生物力学家把跳跃平衡归类为两种，分别是四肢的摆动与尾巴的摆动，这两种方式都是靠角动量守恒原理，透过肢体运动在空中产生角动量，进而使得体轴产生相反的角动量以保持平衡。而跳蛛所使用的平衡则不属于这两种，而是透过蜘蛛丝拉扯地面，产生额外的旋转，如此一来，蜘蛛不需要大幅摆动肢体，也不用演化出厚重的尾巴。
　　图安德逊蝇虎的落地过程（a）有拉平衡丝的个体（b，c）没有拉平衡丝的个体（Chenetal。2013）
　　这个研究结果于2013年发表在《英国皇家学会学报界面》（JournaloftheRoyalSocietyInterface），题目为《不只是安全丝：跳蛛科的跳跃平衡丝》（Morethanasafetyline：jumpstabilizingsilkofsalticids），论文链接：https：doi。org10。1098rsif。2013。0572。
　　这个研究同时受到蜘蛛学家与仿生学家的关注，目前被引用了19次（Google学术的统计）。这个结果打破了生物学家既有的认知，表明跳蛛起跳前所拉的丝线不仅仅是为了安全，更重要的功能是帮助跳蛛在空中平衡身体，并且很大程度的影响其捕食率以及逃跑的机会。而从引用此研究的论文名单中可以发现，这个生物力学研究至少启发了两个研究团队的跳跃机器人设计。以下为其中一个团队公布的影片，它们的跳跃机器人遇到了空中无法平衡的问题。在给机器人做了一条平衡丝之后，就能安稳的落地。
　　影片：受跳蛛平衡丝启发的跳跃机器人（Shieldetal。2015）
　　这段影片最后一段，是拉了平衡丝的跳跃机器人，画面在平稳落地的瞬间戛然而止。我想有可能是接下来机器人发生弹动并翻覆，所以停在这里，很可能还需要有落地时的缓冲机制，不过至少已经能解决空中翻转的问题。
　　让我惊讶的是，另外一个引用这篇论文的研究竟然是在国际太空站进行的。这个研究起源于太空站实验计划征选，有人提出要测试跳蛛是否能在微重力的情况下捕食，并且被主办方采纳。因此两只跳蛛被带到了国际空间站，其中一个个体成功跳起并抓获了漂浮在空中的果蝇。有趣的是，它起跳前也有拉丝，并在捕获果蝇后利用这条丝回到了容器表面。虽然这个行为没办法看出丝线是否仍然扮演了平衡的角色，不过倒是让安全丝名符其实了一回。现在我们也有自己的空间站了，不知道什么时候也能带跳蛛上去蹦一回呢？
　　图被带上国际空间站做捕食实验的跳蛛（David2016）
　　引用文献：
　　Chen，YungKang，etal。Morethanasafetyline：jumpstabilizingsilkofsalticids。JournalofTheRoyalSocietyInterface10。87（2013）：20130572。
　　Shield，Stacey，CallenFisher，andAmirPatel。Aspiderinspireddraglineenablesaerialpitchrightinginamobilerobot。2015IEEERSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems（IROS）。IEEE，2015。
　　Hill，DavidE。Jumpingspidersinouterspace（Araneae：Salticidae）。Peckhamia146（2016）：17。
　　扩展阅读：
　　白蚁的超高速弹击已知最快的生物运动速度关贯之
　　背景简介：本文作者关贯之，台湾中兴大学昆虫学系毕业，现就读中兴大学应用经济学。作者授权风云之声首发。