给鸵鸟装上机械翅膀,会怎么样？

尽管鸵鸟的翅膀很大，但在漫长的进化过程中，它们已经失去了飞翔的能力。然而，如果他们安装了一对额外的机械翅膀呢？

最近，清华大学与中国科学院古脊椎动物研究所和古人类研究所联合进行了这样一个有趣的实验。背上有机械翅膀的鸵鸟仍然不能飞，但它揭示了一个重要的结论:跑步时翅膀的不自主拍打可以提供升力，这可能是鸟类祖先开始获得飞行能力的原因。

这项创造性的研究结果最近发表在《公共科学图书馆计算生物学》杂志上。科研人员通过电子邮件采访了该论文的作者、清华大学精密仪器与机械系副教授赵景山。

科学“角色扮演”

为了理解恐龙的运动，科学家们经常求助于今天的鸟类，因为它们仍然保留着恐龙祖先的许多特征。2014年，芝加哥伊利诺伊大学的研究人员进行了一项实验，在该实验中，鸡被装上假尾巴来模拟两足恐龙的步态。这项研究后来在第二年获得了搞笑诺贝尔奖。

清华大学的研究首次通过机械工程探索了飞行的起源。年轻的鸵鸟背着假翅膀“玩”了一只小恐龙——考迪普泰克斯。长尾龙生活在大约1.25亿年前的白垩纪，属于兽脚亚目，与研究中使用的幼鸵鸟大小相同。尾羽龙化石首次发现于中国辽宁省尖山沟，属于地层学上著名的热河生物群义县组。

尾羽龙也覆盖着羽毛，它的整体外观与鸟类非常相似。化石研究表明，尾羽龙具有爬行动物和鸟类的特征，并且具有明显的正面羽毛，即在当今鸟类飞行中起关键作用的羽毛。这一发现无疑为鸟类是从恐龙进化而来的观点提供了重要依据。尽管近年来对于尾龙的系统发育状况以及尾龙与现代鸟类之间的进化关系存在许多争议，但主流观点认为尾龙可能是现代鸟类的恐龙祖先。因此，对尾羽龙的深入研究将有助于科学家更好地理解现代鸟类飞行能力的进化。

不受控制的小翅膀

飞行的起源不仅是古生物学中备受关注的话题，也可能给机器人设计带来新的灵感。赵景山说:“我们最初的研究课题是设计一种高效的扑翼飞行机器人。2010年，我们已经设计了一个模拟鸟类扑翼的机器人，并成功进行了试飞，但机械效率不高。所以我们开始思考，鸟类是如何获得飞行能力的？鸟类飞行起源于哪里？通过搜索数据，我们发现根据古生物学家的研究结果，鸟类是由恐龙进化而来的。因此，我们开始与中国科学院古生物学和古人类学研究所的学者合作，研究羽状恐龙的飞行进化。”

为了回答这个问题，赵景山和他的研究小组进行了三组实验。首先，研究人员通过测量和分析尾鱼化石，建立了尾鱼身体结构的简化数学模型。基于这个数学模型，他们能够模拟尾羽龙的腿的奔跑动作，同时计算身体其他部分的反应值。研究发现，当奔跑速度达到每小时9-20公里(相当于一个人骑自行车的速度)时，尾羽龙模型的翅膀会随着奔跑节奏不由自主地上下振动。

理论模型验证成功后，他们开始在机器人“Pirdipteryx”上进行实验。当Pirdipteryx在跑步机上跑步时，研究人员观察到机翼振动与理论模拟一致。即使改变了机器人的翼展，也不会影响跑步过程中翅膀的协同振动。

最后，研究小组对鸵鸟进行了实地测试。赵景山和他的同事把力传感器和一组机械翅膀固定在小鸵鸟的背上。他们发现当鸵鸟奔跑时，机械翅膀会随着奔跑的节奏明显振动，力传感器也测量到微弱的升力。

研究小组认为，当尾羽龙奔跑时，类似的过程也可能发生。长尾龙可能已经注意到拍动翅膀时跑起来更容易了。随着时间的推移，它们开始习惯性地拍打翅膀。这种行为最终演变成了飞行:只要奔跑的速度足够快，翅膀拍动的频率足够大，产生的升力就足以为现代鸟类的祖先提供足够的动力进行首次飞行。

Pirdipteryx .图片来自报纸，DOI:10.1371/期刊

飞行的起源仍不确定。

这项研究为陆地运行起源理论提供了有力的支持，但飞行起源本身仍是一个有争议的话题。

例如，在《纽约时报》的一篇相关报道中，在欧洲同步辐射设施(ESRF)和瑞典乌普萨拉大学研究恐龙飞行的丹尼斯·沃滕认为，这项研究的结论过于草率。通过机械模拟观察翅膀振动“不能证明这种动力会‘训练’早期长羽毛的恐龙像鸟一样扇动翅膀”。然而，布朗大学的博士生阿米塔·马纳夫扎德指出，机械翅膀是被动的，不能完全模拟能够自主移动的肢体。

对此，赵景山说:“强迫振动是自然界的普遍物理规律。任何具有质量和刚度的连续体都会在外部激励下产生强迫振动。有机体也是如此，它不能被主观地完全抑制。此外，这种被动运动不会给运动的生物体带来任何不便或不利影响。他们为什么要积极阻止这种运动？”

赵景山指出，该报特别提到了这个问题，并提供了一段鸵鸟*奔跑的视频。“从视频中，我们可以发现鸵鸟两侧的小翅膀在奔跑的激励下的受迫振动是上下拍打翅膀的运动。对于年轻的鸵鸟来说，这种运动是完全无意识的被动运动，正是这种无意识的被动训练教会了长羽毛的恐龙拍打翅膀的运动。这完美地解释了我们的理论分析。”

至于飞行的起源，除了陆地奔跑的起源之外，还有两个重要的假说:树栖/树倒理论认为鸟类的祖先学习飞行是为了避免从树上掉下来伤害前肢。然而，飞行斜坡起源理论(斜面跑步/WAIR理论)认为鸟类的祖先最初是通过前肢运动冲上陡坡的。

赵景山说:“我们将通过实验和理论研究，继续量化被动扑翼下不同机翼所能获得的气动升力和推力。”一些古生物学家也在进行运动模拟研究，或者通过化石证据分析飞行进化过程中羽毛、骨骼和器官的变化。不管最终证明了什么猜想，它都将是未来值得期待的事情。

[相关论文]

Talori，赵建生，刘永福，陆伟喜，李振华，奥康纳JK (2019)基于模态有效质量分析的无翅恐龙扑翼运动识别。公共科学图书馆计算机生物学15(5): e1006846。https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006846

[参考]

1.《像恐龙一样行走:有人工尾巴的鸡提供了非鸟类兽脚亚目动物运动的线索》。PLoS ONE 9(2): e88458。https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088458

2.《纽约时报》(2019)。为什么这只鸵鸟要多戴一对翅膀？2019.05.02

3.Gizmodo (2019)。奔跑的恐龙机器人揭示了恐龙进化飞行的一种可能方式。2019.05.02

4.查特吉，桑卡和杰克坦普林，R. (2012)。古生态学、空气动力学和鸟类飞行的起源。地球和生命一章。10.1007/978-90-483428-1_18

原标题:如果鸵鸟装有机械翅膀呢？