客机降落都要跑道，鸟儿凭啥能想停哪就停哪？

树栖鸟类可以*降落在不同大小和质地的栖木上。力量测量和视频分析显示，鸟类稳定着陆的能力主要取决于它们快速稳定地调整脚垫和锋利爪子的能力。

对飞鸟、蝙蝠和昆虫的细微观察显示，这些生物可以熟练而毫不费力地在不同的表面着陆和起飞，无论是树枝、电话线、花朵还是岩石。相比之下，客机通常需要长而平的跑道来完成同样的任务。即便如此，起飞或着陆也容易发生事故。随着航空无人机4的应用场景越来越多，小型无人机在空气动力学和能效方面面临各种挑战。研究人员希望开发新的无人机设计，以提高其在一系列复杂表面上的着陆成功率。罗德里克等人在eLife上发表了一篇文章，分析了太平洋鹦哥是如何在不同种类的栖息处着陆的，为这些鸟类的着陆方式提供了新的见解。

先前的研究7通过分析鸟类、蝙蝠和陆地哺乳动物的脚和爪子，研究了这些脊椎动物是如何抓住物体表面的。本研究使用的方法包括确定脚、脚趾和爪子几何形状的比较形态学分析、动物运动研究(称为描述性运动学)或静态握力测试。从分析中可以看出，动物的爪子形状随着动物的大小和它们在自然环境中爪子的正常使用而变化。例如，用于地面跑步和改变方向的爪子通常比用于攀爬的爪子更深，弯曲度更小。然而，动物如何利用脚和爪子的力量来支撑它们平稳着陆，如鸟类如何停留在树枝上，仍然缺乏动力学和力量的研究。

太平洋鹦哥是一种树栖鸟，原产于厄瓜多尔和秘鲁的山区。罗德里克等人研究了这种鸟在七个不同直径和质地的天然或人工栖息处的着陆模式(图1)，包括粗糙、柔软和光滑的表面。研究人员对三棵树的树枝进行了测试，其中之一是木棉，这种植物通常在鸟类的自然栖息地被发现。

图1 |太平洋鹦哥在栖木上的着陆模式。罗德里克等人使用各种方法和高速视频记录来评估鸟类在着陆过程中遇到的各种力。a)当一只鸟即将着陆时，它的翅膀、身体和腿的姿态与之前的研究8和9一致，表明鸟会利用视觉线索为着陆做准备。在这个阶段，鸟的脚趾和爪子被拉伸。b)当鸟要与栖木直接接触时，它的脚趾开始卷曲，这一过程称为“预成型”。c)当鸟的脚趾接触到栖木时，脚趾会迅速包住栖木，用力挤压。尖锐的爪子开始弯曲。如果鲈鱼表面光滑，整个过程将非常快(2毫秒)。

为了独立地测量栖木的前后着陆表面，作者将栖木分成两半，分别固定在力和力矩传感器上，记录下鸟儿感受到着陆力和旋转力的时间和特征。两种力都受着陆方式的影响。作者还测量了鸟落地时对脚和爪子的挤压力。通过将这些测量数据与鸟翼、身体、腿、脚和爪子着陆运动的近距离高速视频记录相结合，可以获得与稳定停止相关的着陆过程的详细信息(纸质视频见go.nature.com/2nbfhtq和go.nature.com/2perfs9)。

作者报告说，当鸟类在任何特定的栖木上着陆时，它们的翅膀和腿以相同的方式移动，着陆力和旋转力在每次着陆过程的时间范围内均匀变化。这种着陆策略与先前的研究结果8、9一致，即，鸟类和昆虫利用视觉线索接近着陆目标，以便调整它们的身体姿势并在估计的时间内接触着陆表面。

着陆的初始阶段是预测阶段，随后是快速调整阶段。这可能需要来自鸟类皮肤、肌肉和关节感受器的本体感受反馈，以及它们与神经系统的交流，因为鸟类需要挤压栖木，并在栖木表面拖动脚垫和爪子以实现稳定的抓握。罗德里克和他的同事使用激光扫描和压痕测试来评估栖木表面特征的变化，将鸟类脚趾和爪子的摩擦力与它们的抓取动作联系起来，并展示鸟类如何通过调整爪子来锚定到不同直径和表面特征的栖木上。

对于难以抓住的栖木表面，如大直径的栖木或落地摩擦小的栖木，鸟的爪子会弯曲得更多。在抓握的这个阶段，脚趾感受到的摩擦力(对于某些类型的栖木来说是高度一致的)将被加强，并且脚趾尖施加在栖木表面上的抓握力也将被加强并且难以预测。这种策略为鸟类捕捉栖息处提供了稳定安全裕度，相当于蛇10和机器人11的安全裕度，超过了人类捕捉小物体的安全裕度12。一旦鸟能在栖木上保持稳定，它就会放松抓地力，避免肌肉活动造成不必要的持续能量消耗。

罗德里克和他的同事们的研究有局限性。他们没有研究神经系统在控制握力以实现稳定着陆中的作用。作者指出，这些爪子将作出极快(2毫秒)的初始锚定运动，这表明这种运动可能属于一种快速的固有弹性机制，不涉及神经控制。然而，在这些极快的动作之后，脚趾和爪子会调整更长的时间，或者帮助它们建立稳定的抓地力，从而放松抓地力。这些较慢的调节可能需要通过神经系统的本体感受反馈。这种反馈控制可以通过记录着陆和停止时的肌肉活动和力量模式来评估。另一种方法是用麻醉剂抑制鸟类脚垫中机械感觉感受器的活动，从而确定脚垫的感觉反馈是否会影响这些足部运动和鸟类的着陆能力。

这项研究的着陆飞行时间非常短，是在同一水平面上的两个栖木之间进行的。然而，太平洋鹦哥可能会在觅食时飞到高处或低处栖息。因此，研究它们的身体方位和着陆力是否会随着陆地飞行的轨迹而改变也是非常有趣的。也许，这种飞行与作者在着陆过程早期发现的模式不一致。然而，罗德里克和他的同事详细的生物力学分析为进一步研究脚、脚趾和爪子如何帮助动物稳定地抓住表面提供了重要的路线图。

原始链接:

https://www.nature.com/articles/d41586-019-02959-w

参考:

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12.威斯特林公司和约翰逊公司。大脑第53，277-284号决议(1984)。

原标题:飞机需要跑道着陆。为什么鸟儿可以在它们想去的地方停下来？