不但是宁静丝：跳蛛空中均衡的生物力教 | 关贯之

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导读

有拉丝的跳蛛，它们可以在空中连结必然的姿势，在落地前稳住身材，安稳落地。

文/关贯之

漫画/鄂禹臻

我的研究范畴叫做比力生物力学，是专门研究非人类的生物活动背后的物理道理，时常要跟差别范畴的专家一路互助。因为专业配景的差别，相同历程会孕育发生很多不同，此中一部门是来自对严谨的界说。

有一个故事是如许的：在一列英国的火车上，有三个科学家坐在一路，分别是生物学家、物理学家与数学家，他们刚要到场一个科学聚会。此时火车颠末一片草原，窗外有一只玄色的羊正在吃草。生物学家起首开口，他愉快的说:「本来英国的羊是玄色的！」物理学家皱了皱眉头说:「你们生物学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只是玄色的。」然后数学家也皱了皱眉头说:「你们物理学家真是不严谨，你只可以说英国的羊，这一只，这一壁是玄色的。」

这个见笑很生动的出现了我研究历程中会碰到的场景，因为我本身是生物学配景，以是我通常便是闹见笑的那一个。生物学在动物举动这一方面，有很大一部门的研究基于观看。在形貌举动的历程中，生物学家时常会参加主观的揣测，偶然候并不完全精确。一个有味的例子，便是跳蛛在跳跃的时间，为什么要在跳跃出发点拉一条丝线?

跳蛛科是蜘蛛的一个科，这个分类群里的物种大多数不会结网，而是寄托跳跃捕获猎物。大概是由于它们跳向苍蝇的行动大有猛虎扑兔之势，是以它们也被称作蝇虎。生物学家发觉，固然跳蛛不太会结网，但是他它腹部仍旧会孕育发生蜘蛛丝。跳蛛会在起跳前用腹部末了点一下地面，附着一条丝，等它跳起之后，腹部会一向拉着这条丝，就跟影戏中的蜘蛛侠在纽约大楼晃悠一样。假如跳蛛没有跳达预定目的，从空中失下去，这条丝可让它吊挂在空中，蜘蛛可以拉着丝回到本来位置，或是垂降到地面。是以，生物学家把这条丝称作宁静丝，就像是攀岩时用的宁静绳。

Marvel蜘蛛人(惊异蜘蛛人vol.4 #1封面)

然而具有较强物理配景的生物力学家，对这个说法孕育发生了质疑。从人类的角度来说，从比本身身材高数十倍的位置摔落，固然是一件恐惧的事。但是跳蛛的身材又小又轻，氛围阻力对其影响甚大，着落的终端速率应该烦懑，纵然从高空落下，也不见得会受伤。有没有大概这条丝实在有另外功效呢?

起首针对这个题目举行研究的是一位高中生，陈永康。他就读台中一中时便对跳蛛拉丝的举动很感兴趣，是以他请了在复兴大学物理系任教的纪凯容博士引导研究。纪凯容博士是我大学专题的引导传授，我们曾经一路互助发觉现在已知最快的生物活动速率。惋惜陈永康进试验室的时间我还在念初中，没有时机了解。很多跳蛛研究的事变是厥后听纪老师说的。陈永康和纪凯容等人以一种校园内常见的跳蛛，安德逊蝇虎(Hasarius adansoni)作为试验工具，在试验室中豢养27只跳蛛。接着，他给跳蛛设计了一个室内跳台，而且用高速拍照机记载安德逊蝇虎跳跃的历程。有味的是，他发觉此中5只跳蛛在跳跃的时间竟然不会从起跳点拉丝。如许一来，恰好有了对比组，可以比力拉丝与否对付跳蛛跳跃活动的影响。颠末比力两者跳跃的影片，研究团队发觉了这条丝线一个紧张的功效：均衡。

均衡！这但是生物力学范畴的热门项目。别看我们人类可以方便地在走路、跑步或跳跃时连结均衡，对付呆板人来说，均衡黑白常难的，尤其是跳跃。一旦起跳时施力的反偏向没有通过质心，身材便会在空中扭转，很难安稳落地。而陈永康等人在试验室观看到的跳蛛也产生雷同的事变，没有拉丝的蜘蛛会在空中失去均衡，最终摔落在目的物上。反观有拉丝的跳蛛，它们可以在空中连结必然的姿势，在落地前稳住身材，安稳落地。

图/跳蛛跳跃时均衡丝的紧张性(漫画/鄂禹臻)

试验效果表现，无论跳蛛是否拉丝，都能跳出相似的高度跟间隔，但是有拉丝的个别展示出较高的滞空时间、程度减速以及均衡性。两者落地的情形差别最为显着，有拉丝的个别是头前脚后的程度姿势落地，均匀只要0.01 秒就可以站稳身材，而没有拉丝的个别则因此头上脚下的垂直姿势摔落地面，均匀必要耗费0.05 秒的时间才气站稳身材。拉丝稳健身材的价钱，即是斲丧较多的机器能。没有拉丝的跳蛛在空中重要受到氛围阻力的影响，落地前会丧失33%的机器能。而拉丝的跳蛛由于透过对丝线的施力转变仰角，连同氛围阻力的效应，跳跃历程会丧失76%的机器能。从生物学的角度来了解这个效果，会发觉跳蛛可否安稳降落，很大水平的影响捕食本领，头上脚下的摔落明显难以抓捕猎物。而假如跳蛛正在躲避天敌，要以5倍的时间才气站稳，也大概就此被天敌抓获。

这个发觉为动物跳跃的均衡方法提出第三种机制。已往生物力学家把跳跃均衡归类为两种，分别是四肢的摆动与尾巴的摆动，这两种方法都是靠角动量守恒道理，透过肢体活动在空中孕育发生角动量，进而使得体轴孕育发生相反的角动量以连结均衡。而跳蛛所利用的均衡则不属于这两种，而是透过蜘蛛丝拉扯地面，孕育发生分外的扭转，云云一来，蜘蛛不必要大幅摆动肢体，也不消演化出厚重的尾巴。

图/安德逊蝇虎的落地历程(a)有拉均衡丝的个别 (b,c) 没有拉均衡丝的个别 (Chen et al. 2013)

这个研究效果于2013年颁发在《英国皇家学会学报·界面》(Journal of the Royal Society Interface)，标题为《不但是宁静丝：跳蛛科的跳跃均衡丝》（More than a safety line: jump-stabilizing silk of salticids）， 论文链接: http://www.yaotansuo.com/allimgs/39tansuo/20221117/6949.png.1098 /rsif.2013.0572。

这个研究同时受到蜘蛛学家与仿生学家的存眷，现在被引用了19次(Google 学术的统计)。这个效果冲破了生物学家既有的认知，评释跳蛛起跳前所拉的丝线不但仅是为了宁静，更紧张的功效是关心跳蛛在空中均衡身材，而且很大水平的影响其捕食率以及逃跑的时机。而从引用此研究的论文名单中可以发觉，这个生物力学研究至少开导了两个研究团队的跳跃呆板人设计。以下为此中一个团队颁布的影片，它们的跳跃呆板人碰到了空中无法均衡的题目。在给呆板人做了一条均衡丝之后，就能牢固的落地。

影片：受跳蛛均衡丝开导的跳跃呆板人(Shield et al. 2015)

这段影片最终一段，是拉了均衡丝的跳跃呆板人，画面在安稳落地的刹时戛然而止。我想有大概是接下来呆板人产生弹动并翻覆，以是停在这里，很大概还必要有落地时的缓冲机制，不外至少已经能办理空中翻转的题目。

让我惊奇的是，别的一个引用这篇论文的研本相然是在国际太空站举行的。这个研究劈头于太空站试验打算征选，有人提出要测试跳蛛是否能在微重力的情形下捕食，而且被主理方采取。是以两只跳蛛被带到了国际空间站，此中一个个别乐成跳起并抓获了漂移在空中的果蝇。有味的是，它起跳前也有拉丝，并在捕捉果蝇后使用这条丝回到了容器外貌。固然这个举动没方法看出丝线是否仍旧饰演了均衡的脚色，不外却是让宁静丝名符实在了一回。如今我们也有本身的空间站了，不知道什么时间也能带跳蛛上去蹦一回呢?

图/被带上国际空间站做捕食试验的跳蛛(David 2016)

引用文献：

Chen, Yung-Kang, et al. "More than a safety line: jump-stabilizing silk of salticids." Journal of The Royal Society Interface 10.87 (2013): 20130572.

Shield, Stacey, Callen Fisher, and Amir Patel. "A spider-inspired dragline enables aerial pitch righting in a mobile robot." 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2015.

Hill, David E. "Jumping spiders in outer space (Araneae: Salticidae)." Peckhamia 146 (2016): 1-7.

扩展阅读：

白蚁的超高速弹击---已知最快的生物活动速率 | 关贯之

配景简介：本文作者关贯之，台湾复兴大学虫豸学系结业，现就读复兴大学应用经济学。作者授权风云之声首发。

责任编辑：孙远