【寵物:金——第一個按要求跳起來的蜘蛛】
一隻名叫金的小而熟練的跳投蜘蛛是科學家們訓練的第一隻按需跳躍的蜘蛛。
教她在什麼時候在什麼地方跳是不容易的。研究人員試圖訓練的四種蜘蛛中,只有一種——最終他們給它取了個綽號叫「金蜘蛛」——會在平行的平臺之間跳來跳去,跳得更高或更低。通過對金的研究,科學家們希望能更好地了解跳蜘蛛是如何根據跳躍的目的、目標的距離以及跳躍的方向(向上或向下)來調整跳躍的。帝王跳蛛身長僅0.5英寸(12毫米),是一個以快速長距離跳躍捕捉快速移動的昆蟲獵物或穿越複雜地形、躲避威脅而聞名的群體中的一員。雖然大多數跳蛛的體長在0.1到0.4英寸(3到10毫米)之間,但它們能夠在靜止狀態下水平跳躍到6英寸(160毫米)。
「起飛時腿部受到的力是蜘蛛重量的五倍。」研究報告的主要撰寫人、曼徹斯特大學機械、航空航天和土木工程學院的研究員穆斯塔法納巴威在聲明中說:「這太不可思議了。」納巴威說:「如果我們能理解這些生物力學原理,我們就能把它們應用到其他研究領域。」
不妨跳
先前的研究檢查了蜘蛛的速度和身體位置,但對於他們的跳還是未知,如何調整自己的姿態補償等不同條件下的能量驅動他們的跳躍和跳躍依靠肌肉的力量,而不是液壓發送血液湧向他們的腿,這項研究的作者報導。為了調查這些蜘蛛,他們建造了一個結構,有兩個可移動的平臺,可以固定在不同的水平和距離,然後試圖訓練4隻雌性紅腹蛛在平臺之間跳躍,通過來回搬運來熟悉設備。
大多數蜘蛛對這個實驗不感興趣。然而,Kim抓住了這個機會,成為了科學家唯一的數據來源。她完成了15個跳躍任務,在平臺上跳上跳下,而研究人員用高速攝像機拍攝了她。他們記錄下她的速度、著陸位置、腿和身體角度,以及跳躍的長度,然後計算出每次跳躍所消耗的能量。他們還對Kim進行了3D掃描和建模,以更好地可視化她的腿和身體的結構和運動。研究人員發現,金妍兒根據跳躍地點的不同採取了不同的策略。她根據目標的距離調整自己的腿的位置,她用低角度的跳躍來走更短的距離,用更陡的跳躍來走更遠的距離。
短距離的水平跳躍往往更低、更快,這就要求金妍兒消耗更多的能量,但要儘量減少她在空中停留的時間,並可能增加她捕捉獵物的機會。研究表明,相比之下,長距離水平跳躍或跳到更高或更低的平臺需要更少的能量。眾所周知,蜘蛛的腿部運動既需要肌肉,也需要水壓——當蜘蛛伸展四肢時,它們體內的機制會將血液迅速輸送到四肢。
科學家們注意到,僅靠金正日腿部肌肉產生的力量就足以為她的跳躍提供動力,而不需要她依靠液壓來推動快速起飛。然而,還需要進一步的研究來證實這些蜘蛛是否真的僅僅靠肌肉力量就能離開。