果蝇在受伤后使用矫正动作来保持稳定

研究人员发现，果蝇可以迅速补偿灾难性的翅膀损伤，在失去高达 40% 的翅膀后仍能保持同样的稳定性。这一发现可以为多功能机器人的设计提供信息，这些机器人面临着必须快速适应现场事故的类似挑战。

宾夕法尼亚州立大学领导的团队今天在Science Advances上发表了他们的研究结果。

为了进行实验，研究人员改变了麻醉果蝇的翅膀长度，模仿飞行昆虫可以承受的伤害。然后他们将苍蝇悬浮在虚拟现实环中。研究人员模仿苍蝇在飞行中看到的景象，在环中的小屏幕上播放虚拟图像，使苍蝇像飞一样移动。

“我们发现苍蝇通过更用力地拍打受损的机翼并降低健康机翼的速度来弥补它们的伤害，”通讯作者、宾夕法尼亚州立大学机械工程助理教授 Jean-Michel Mongeau 说。“他们通过调节神经系统中的信号来实现这一点，即使在受伤后也能微调他们的飞行。”

通过用力拍打受损的翅膀，果蝇交换了一些性能(仅略微降低)以通过主动增加阻尼来保持稳定性。

“如果你在铺砌的道路上行驶，轮胎和路面之间会保持摩擦，汽车就会稳定，”Mongeau 在比较阻尼和摩擦时说。“但在结冰的道路上，道路和轮胎之间的摩擦力会减少，从而导致不稳定。在这种情况下，作为驾驶员的果蝇会通过其神经系统主动增加阻尼，以增加稳定性。”

宾夕法尼亚州立大学 Kenneth K. 和 Olivia J. Kuo 机械工程早期职业副教授 Bo Cheng 指出，对于飞行性能而言，稳定性比动力更重要。

“在机翼损坏的情况下，性能和稳定性通常都会受到影响;然而，苍蝇使用一个‘内部旋钮’来增加阻尼以保持所需的稳定性，即使这会导致性能进一步下降，”Cheng 说。“事实上，已经表明，限制果蝇机动性的确实是稳定性，而不是所需的功率。”

研究人员的工作表明，果蝇只有 200,000 个神经元，而人类有 1000 亿个神经元，它们采用复杂、灵活的运动控制系统，使它们能够在受伤后适应和生存。

“我们在这里发现的苍蝇的复杂性是任何现有工程系统无法比拟的;苍蝇的复杂性比现有的飞行机器人更复杂，”Mongeau 说。“我们在试图复制我们在自然界中看到的东西的工程方面还很遥远，这只是我们必须走多远的另一个例子。”

随着环境日益复杂，工程师面临着设计能够快速适应故障或事故的机器人的挑战。

“飞行的昆虫可以激发扑翼机器人和无人机的设计，这些机器人和无人机可以对物理损伤做出智能反应并维持运行，”共同作者、宾夕法尼亚州立大学机械工程博士生 Wael Salem 说。“例如，设计一种可以补偿飞行中损坏的电机的无人机，或者设计一种可以在一个人用完时依靠其他腿的有腿机器人。”

为了研究苍蝇在飞行中补偿机翼损伤的机制，科罗拉多大学博尔德分校的合作者创造了机械机翼的机器人原型，其尺寸和功能与果蝇的机翼接近。研究人员剪断了机械翼，复制了宾夕法尼亚州立大学的实验，并测试了机翼与空气之间的相互作用。

“仅使用数学模型，我们需要对机翼的结构、机翼的运动以及机翼与空气的相互作用进行简化假设，以使我们的计算易于处理，”共同作者、机械工程助理教授 Kaushik Jayaram 说。在科罗拉多大学博尔德分校。“但是有了物理模型，我们的机器人原型就像苍蝇一样与自然世界相互作用，并遵守物理定律。因此，这种设置捕捉到了我们尚未完全理解的复杂机翼与空气相互作用的复杂性。 “

除了 Mongeau、Cheng、Salem 和 Jayaram，合著者还包括宾夕法尼亚州立大学机械工程系的 Benjamin Cellini;科罗拉多大学博尔德分校的 Heiko Kabutz 和 Hari Krishna Hari Prasad。