?松鼠登上最新Science封面，“跑酷” 高手究竟是怎樣煉成的？

如果動(dòng)物世界也有奧運會(huì )的話(huà)，那么松鼠想必是嚙齒動(dòng)物中當之無(wú)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(shù)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，當野生松鼠們在高處的復雜地形中穿梭時(shí)，為避免由于不小心墜落而喪命，它們會(huì )瞬間測算出自身位置到落點(diǎn)之間的精準距離，并及時(shí)調整動(dòng)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(gè)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(lái)自美國內布拉斯加大學(xué)生物力學(xué)系的助理教授納撒尼爾 H. 亨特（Nathaniel H. Hunt）和團隊進(jìn)行了一系列關(guān)于松鼠跳躍行為的評估實(shí)驗。

實(shí)驗證明，生物力學(xué)能量控制和試錯學(xué)習之間的相互協(xié)同作用，或是決定松鼠實(shí)現精準跳躍的主要因素。8 月 6 日，相關(guān)研究以論文形式發(fā)表在 Science。

該論文以《雜技松鼠學(xué)會(huì )在樹(shù)枝上跳躍和著(zhù)陸而不墜落》（Acrobatic squirrels learn to leap and land on tree branches without falling）為題，納撒尼爾 H. 亨特擔任通訊作者。

松鼠如何成為跑酷高手？

“松鼠是在樹(shù)梢間穿梭的高手，從一個(gè)樹(shù)枝跳到另一個(gè)樹(shù)枝不會(huì )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(guò)感官線(xiàn)索在空間中移動(dòng)?！?亨特表示。

為了觀(guān)察松鼠的跳躍行為，亨特選擇了伯克利校區自由放養的松鼠作為研究對象。據了解，該校區擁有兩種松鼠物種，分別是東美松鼠（Sciurus carolinensis）和狐貍松鼠（Sciurus niger）。

該團隊對這些松鼠們傾注了大量心血，為了準確觀(guān)察到松鼠每次跳躍的區別，研究人員通過(guò)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的小森林區域建造了一個(gè)戶(hù)外障礙訓練場(chǎng)，用以模擬不同樹(shù)枝間距離或者高度的差異。

實(shí)驗裝置包括一個(gè)坡道，以及通向不同柔韌性和剛度模擬樹(shù)枝的****平臺，而在著(zhù)陸點(diǎn)附近還有一個(gè)盛著(zhù)花生的杯子，以激勵松鼠在****平臺和著(zhù)陸點(diǎn)之間進(jìn)行跳躍。一旦松鼠從杯子里取下花生，團隊就開(kāi)始逐漸增加橫梁末端和著(zhù)陸平臺之間的間隙。大多數松鼠在 30 分鐘內就掌握了這項任務(wù)。

實(shí)驗過(guò)程中，改變松鼠起跳點(diǎn)的靈活性對實(shí)驗結果至關(guān)重要，因為它迫使參與的松鼠在穩定性和跳躍距離之間找到可行的權衡。因此，研究人員在實(shí)驗中為松鼠逐漸增加了難度，增加了樹(shù)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(shù)枝上跳下來(lái)時(shí)，它們會(huì )更加謹慎。

在一系列的實(shí)驗驗證下，該團隊發(fā)現松鼠在實(shí)施跳躍行為的時(shí)候，會(huì )根據環(huán)境的具體情況實(shí)時(shí)調整自己的跳躍動(dòng)作，比如改變起跳點(diǎn)和著(zhù)陸點(diǎn)的位置等。不過(guò)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(huì )通過(guò)不斷學(xué)習來(lái)提高自身適應環(huán)境的能力。

復雜環(huán)境下動(dòng)態(tài)決策至關(guān)重要

雖然在人類(lèi)觀(guān)察者看來(lái)，松鼠的生活無(wú)比單調，基本在重復著(zhù)吃、睡、爬等步驟，但不可否認的是，松鼠也會(huì )涉及到精細調整的認知技能。

此外，松鼠擁有著(zhù)強大的空間記憶能力，它們會(huì )在秋季的六到八周內搜集冬季所需的堅果和橡子，將每個(gè)堅果分別埋起來(lái)，并在數月之后憑借記憶再來(lái)取回。也正由于這種記憶認知，松鼠成為了專(zhuān)門(mén)的種子傳播者。

亨特認為，對松鼠的研究為人類(lèi)運動(dòng)研究人員和工程師分享的 “在具有挑戰性的環(huán)境中決策、學(xué)習和行為的作用” 提供了新的見(jiàn)解?！斑@種適應跳躍和著(zhù)陸結構的力學(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(shí)上，亨特團隊針對松鼠的第一個(gè)實(shí)驗正是側重于決策。該團隊在跳躍平臺上使用了三個(gè)具有不同柔韌性的模擬樹(shù)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(guān)察松鼠用來(lái)調整太快或太慢的跳躍動(dòng)作后幾種不同的著(zhù)陸動(dòng)作。

例如，如果松鼠跳躍時(shí)越過(guò)著(zhù)陸平臺，它們會(huì )繞著(zhù)樹(shù)枝向前滾動(dòng)；如果它們跳得有點(diǎn)短，它們會(huì )用前腿抓住樹(shù)枝并在樹(shù)枝下擺動(dòng)，拉起自己去拿花生；但有時(shí)，松鼠的跳躍也會(huì )恰到好處。

研究團隊驚訝地發(fā)現，松鼠有時(shí)會(huì )采取創(chuàng )新的、類(lèi)似跑酷的動(dòng)作來(lái)縮小差距并獲得美味的花生，即在跳躍中重新調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(shí)調整了間隙距離和著(zhù)陸高度。

結果顯示：十只松鼠總共完成了 324 次該種跑酷跳躍試驗，尤其在中跳和長(cháng)跳中，松鼠們都非常一致地使用了這種動(dòng)作。這意味著(zhù)適應性跳躍、學(xué)習控制和反應穩定操作的行為對松鼠成為跑酷高手起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

“目前，還沒(méi)有像松鼠那樣敏捷的機器人，也沒(méi)有能夠在復雜環(huán)境中學(xué)習或做出動(dòng)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。這變得更具挑戰性，因為你還必須評估你的環(huán)境?！?亨特表示。

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

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參考：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/697