弗吉尼亚理工大学 在团队的运动实验中，天堂树蛇在中间滑行
信用:杰克索查 当天堂树的蛇从一个高高的树枝飞到另一个树枝时，它的身体像蓝天上的绿色草书一样荡漾着波浪
这种运动，即空中波动，发生在金蝇科成员的每次滑翔中，金蝇科是唯一已知的能够飞行的无肢脊椎动物
科学家们已经知道了这一点，但还没有完全解释清楚
20多年来，弗吉尼亚理工大学生物医学工程和力学系教授杰克·索查一直致力于测量和模拟蛇飞行的生物力学，并回答有关它们的问题，比如空中波动的功能作用
在《自然物理学》发表的一项研究中，索查组建了一个跨学科团队，开发了第一个连续的、解剖学上精确的飞行中的金鱼藻三维数学模型
这个团队包括凯文·T
克罗夫特的航空航天和海洋工程系，和艾萨克·耶顿，一个最近的机械工程博士毕业生和该论文的主要作者，在测量了100多条活蛇滑行后，开发了三维模型
该模型考虑了波动波的频率、方向、作用在物体上的力以及质量分布
有了它，研究人员已经运行虚拟实验来研究空中起伏
在一组实验中，为了了解为什么波动是每次滑翔的一部分，他们模拟了如果不是的话会发生什么——通过关闭它
当他们的虚拟飞蛇不再能在空中波动时，它的身体开始翻滚
这项测试与保持波动波动的模拟滑行相结合，证实了团队的假设:空中波动增强了飞行蛇的旋转稳定性
飞行和运动的问题充斥着索查的实验室
该小组在研究青蛙如何跃出水面并游过水面、血液如何流经昆虫以及鸭子如何在池塘上着陆之间，对飞蛇进行了调整
在某种程度上，对索查来说，探索波动在蛇滑行中的功能作用是很重要的，因为很容易假设它实际上没有波动
索查说:“我们知道蛇会因为各种原因在各种运动环境中波动。”
“那是他们的基础程序
我说的程序是指他们的神经、肌肉程序？——他们收到了具体的指令:现在激活这块肌肉，激活那块肌肉，激活这块肌肉
很古老了
它超越了蛇
那种制造波动的模式是旧的
很有可能一条蛇飞到空中，然后它会说，‘我该怎么办？我是一条蛇
我波动
" 但是索查相信还有更多
在天堂树蛇的整个飞行过程中，许多事情同时发生，用肉眼很难解开它们
索查描述了每次滑行的几个步骤——读起来像是有意的
首先，蛇会跳跃，通常是通过把身体弯曲成一个“J型圈”，然后跃起并跳出
当它发射的时候，蛇会重新调整它的形状，它的肌肉会移动，使它的身体变平，除了尾巴
身体变成了一个“变形的翅膀”，当空气流过它时，它会产生升力和阻力，因为它在重力的作用下向下加速
索查在多项研究中检验了这些空气动力学特性
随着变平而来的是波动，就像蛇把波浪送进身体一样
弗吉尼亚理工大学的研究员杰克·索查在运动实验中把一条天堂树蛇放在树枝上
信用:迈克尔·迪辛 在研究的开始，索查有一个空中波动理论，他通过比较两种类型的飞机来解释:巨型喷气式飞机和战斗机
他说，巨型喷气式飞机是为了稳定而设计的，当受到干扰时，它们会自动恢复水平，而战斗机则会失控
那么这条蛇会是哪一条呢？ "它是像一架大型喷气式飞机，还是自然不稳定？"索查说
"这种波动可能是处理稳定性的一种方式吗？" 他认为这条蛇更像一架战斗机
为了测试波动对稳定性的重要性，研究小组开始开发一种能够产生模拟滑翔的三维数学模型
但是首先，他们需要测量和分析真正的蛇在滑行时会做什么
2015年，研究人员从131只由天堂树蛇制造的活体滑翔机中收集了动作捕捉数据
他们把莫斯艺术中心的一个四层黑匣子剧院“魔方”变成了一个室内滑水竞技场，用它的23个高速摄像机捕捉蛇从27英尺高的地方跳下来的动作——从一棵橡树的树枝跳到一个剪式升降机上——然后滑下到下面的一棵人造树上，或者滑到周围的软泡沫垫上，团队用床单垫起它们来缓冲它们的着陆
摄像机发出红外光，所以蛇的身体上有11到17个点被红外反射带标记，这使得动作捕捉系统能够检测到它们随着时间的推移而改变的位置
找到测量点的数量是研究的关键；在过去的实验中，索查在蛇身上标记了三个点，然后是五个，但是这些数字没有提供足够的信息
来自较少视频点的数据仅提供了粗略的理解，使得结果模型中出现起伏和低保真度的波动
该小组在11到17点找到了一个最佳点，这给出了高分辨率的数据
索查说:“有了这个数字，我们就可以得到这条蛇的平滑图像，而且是精确的图像。”
研究人员继续通过数字化和再现蛇的运动来建立三维模型，同时折叠他们以前收集的关于质量分布和空气动力学的测量数据
作为动力学建模专家，罗斯通过从宇宙飞船运动中汲取灵感，指导了耶顿在连续模型上的工作
自2013年以来，他一直与索查合作制作飞蛇模型，他们之前的模型将蛇的身体分为三部分——首先是躯干、中间和末端，然后是一连串的环节
“这是第一个连续的，”罗斯说
“它就像一条丝带
这是最现实的一点
" 在虚拟实验中，该模型显示，空中起伏不仅能防止蛇在滑行时翻倒，还能增加水平和垂直行进距离
罗斯看到了飞盘旋转时蛇的波动的类比:往复运动增加了旋转稳定性，导致更好的滑行
他说，通过起伏，蛇能够平衡其扁平身体产生的升力和阻力，而不是被它们压倒和倾倒，它能够走得更远
实验还向团队揭示了他们以前无法想象的细节
他们看到蛇在起伏时使用了两种波:一种是大振幅的水平波，另一种是新发现的小振幅的垂直波
波浪左右摇摆，同时上下起伏，数据显示垂直波浪的速度是水平波浪的两倍
“这真的，真的很奇怪，”索查说
这些双波只在另一条蛇(响尾蛇)身上被发现，但它的波以相同的频率传播
“真正使这项研究强大的是，我们能够极大地提高我们对滑翔运动的理解和我们对系统建模的能力，”耶顿说
“蛇的飞行很复杂，要让蛇配合通常很棘手
要使计算模型准确，有许多复杂的因素
但是把所有的部分放在一起是令人满意的
" 索查说:“这些年来，我想我已经看到了近一千次滑翔。”
“每次看到还是很神奇
亲眼所见，有点不一样
还是很震撼
这种动物到底在干什么？许多年后，能够回答我从研究生时代就有的问题是令人难以置信的满足
" 索查将塑造真实和模拟滑翔实验的一些因素归功于他无法控制的力量
偶然的机会把他带到了室内滑水竞技场:在莫斯艺术中心开业几年后，坦纳Upthegrove，一位创意、艺术和技术研究所的媒体工程师，问他是否想过在立方体中工作
“立方体是什么？”他问道
当Upthegrove向他展示空间时，他被难倒了
它似乎是为索查的实验设计的
从某些方面来说，的确如此
“国际合作小组的许多项目使用了立方体的先进技术，这是一个不同于世界上任何其他工作室的工作室，来揭示通常看不到的东西，”国际合作小组的创始董事本·克纳普说
“科学家、工程师、艺术家和设计师在这里联手打造、创造和创新新方法，以应对世界上最严峻的挑战
" 在该中心的一个特色项目“身体，充满时间”中，媒体和视觉艺术家利用该空间动态捕捉舞者的身体动作，进行沉浸式表演
用舞者换蛇，索查能够充分利用魔方的动作捕捉系统
该团队可以移动摄像头，为蛇的路径优化它们的位置
他们利用空间顶部的格子来放置两个指向下方的摄像头，提供了一个蛇的俯视图，这是他们以前从未做过的
索查和罗斯认为他们的三维模型有潜力继续探索蛇的飞行
该团队正计划进行户外实验，从更长时间的滑翔中收集运动数据
有一天，他们希望跨越生物现实的界限
现在，他们的虚拟飞蛇总是像真正的动物一样向下滑行
但是，如果他们能让它移动，让它真的开始上升呢？才能真正飞翔？罗斯说，这种能力有可能被植入机器蛇的算法中，这种算法在搜索、救援和灾难监测方面有着令人兴奋的应用
罗斯说:“蛇非常善于在复杂的环境中移动。”
“如果你能添加这种新的模式，它不仅能在自然环境中工作，还能在城市环境中工作
" 索查说:“在某些方面，弗吉尼亚理工大学是生物启发工程的中心。”
“像这样的研究不仅提供了对自然如何运作的洞察，还为受自然启发的设计奠定了基础
进化是终极的创造性修补者，我们很兴奋能继续发现自然界解决类似问题的方法，从摆动的圆柱体中提取飞行
"
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