?松鼠登上最新Science封面，“跑酷” 高手究竟是怎樣煉成的？

如果動(dòng)物世界也有奧運(yùn)會(huì)的話(huà)，那么松鼠想必是嚙齒動(dòng)物中當(dāng)之無(wú)愧的體操冠軍，除了絕佳的平衡能力，它們甚至可以在細(xì)窄的樹(shù)枝或者陡峭的地形之間優(yōu)雅地跳躍。

近日，一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)野生松鼠們?cè)诟咛幍膹?fù)雜地形中穿梭時(shí)，為避免由于不小心墜落而喪命，它們會(huì)瞬間測(cè)算出自身位置到落點(diǎn)之間的精準(zhǔn)距離，并及時(shí)調(diào)整動(dòng)作以完成最佳跳躍。針對(duì)一些特別危險(xiǎn)的地形，它們甚至可以像表演雜技一樣在空中自由騰挪，如同一個(gè)天生的 “跑酷達(dá)人”。

為了弄清楚松鼠瞬間測(cè)算能力的形成原因，來(lái)自美國(guó)內(nèi)布拉斯加大學(xué)生物力學(xué)系的助理教授納撒尼爾 H. 亨特（Nathaniel H. Hunt）和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列關(guān)于松鼠跳躍行為的評(píng)估實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)證明，生物力學(xué)能量控制和試錯(cuò)學(xué)習(xí)之間的相互協(xié)同作用，或是決定松鼠實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跳躍的主要因素。8 月 6 日，相關(guān)研究以論文形式發(fā)表在 Science。

該論文以《雜技松鼠學(xué)會(huì)在樹(shù)枝上跳躍和著陸而不墜落》（Acrobatic squirrels learn to leap and land on tree branches without falling）為題，納撒尼爾 H. 亨特?fù)?dān)任通訊作者。

松鼠如何成為跑酷高手？

“松鼠是在樹(shù)梢間穿梭的高手，從一個(gè)樹(shù)枝跳到另一個(gè)樹(shù)枝不會(huì)摔倒。作為熟悉平衡和敏捷性生物學(xué)極限的模式生物，我認(rèn)為松鼠是首屈一指的。此外，他們也是二維和三維空間定位的大師 —— 通過(guò)感官線(xiàn)索在空間中移動(dòng)?！?亨特表示。

為了觀察松鼠的跳躍行為，亨特選擇了伯克利校區(qū)自由放養(yǎng)的松鼠作為研究對(duì)象。據(jù)了解，該校區(qū)擁有兩種松鼠物種，分別是東美松鼠（Sciurus carolinensis）和狐貍松鼠（Sciurus niger）。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)這些松鼠們傾注了大量心血，為了準(zhǔn)確觀察到松鼠每次跳躍的區(qū)別，研究人員通過(guò)注射器將不同顏色的染料標(biāo)記在每只松鼠的毛皮上，以跟蹤松鼠的日常。他們甚至在在校園西側(cè)的小森林區(qū)域建造了一個(gè)戶(hù)外障礙訓(xùn)練場(chǎng)，用以模擬不同樹(shù)枝間距離或者高度的差異。

實(shí)驗(yàn)裝置包括一個(gè)坡道，以及通向不同柔韌性和剛度模擬樹(shù)枝的****平臺(tái)，而在著陸點(diǎn)附近還有一個(gè)盛著花生的杯子，以激勵(lì)松鼠在****平臺(tái)和著陸點(diǎn)之間進(jìn)行跳躍。一旦松鼠從杯子里取下花生，團(tuán)隊(duì)就開(kāi)始逐漸增加橫梁末端和著陸平臺(tái)之間的間隙。大多數(shù)松鼠在 30 分鐘內(nèi)就掌握了這項(xiàng)任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變松鼠起跳點(diǎn)的靈活性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果至關(guān)重要，因?yàn)樗仁箙⑴c的松鼠在穩(wěn)定性和跳躍距離之間找到可行的權(quán)衡。因此，研究人員在實(shí)驗(yàn)中為松鼠逐漸增加了難度，增加了樹(shù)枝的靈活性或剛度范圍以及最小間隙距離。

但是松鼠很快就想出了如何改變它們跳躍的生物力學(xué)的方法，當(dāng)從更靈活的模擬樹(shù)枝上跳下來(lái)時(shí)，它們會(huì)更加謹(jǐn)慎。

在一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證下，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)松鼠在實(shí)施跳躍行為的時(shí)候，會(huì)根據(jù)環(huán)境的具體情況實(shí)時(shí)調(diào)整自己的跳躍動(dòng)作，比如改變起跳點(diǎn)和著陸點(diǎn)的位置等。不過(guò)松鼠們也是在嘗試了幾次后才能熟練掌握這種方式，即它們會(huì)通過(guò)不斷學(xué)習(xí)來(lái)提高自身適應(yīng)環(huán)境的能力。

復(fù)雜環(huán)境下動(dòng)態(tài)決策至關(guān)重要

雖然在人類(lèi)觀察者看來(lái)，松鼠的生活無(wú)比單調(diào)，基本在重復(fù)著吃、睡、爬等步驟，但不可否認(rèn)的是，松鼠也會(huì)涉及到精細(xì)調(diào)整的認(rèn)知技能。

此外，松鼠擁有著強(qiáng)大的空間記憶能力，它們會(huì)在秋季的六到八周內(nèi)搜集冬季所需的堅(jiān)果和橡子，將每個(gè)堅(jiān)果分別埋起來(lái)，并在數(shù)月之后憑借記憶再來(lái)取回。也正由于這種記憶認(rèn)知，松鼠成為了專(zhuān)門(mén)的種子傳播者。

亨特認(rèn)為，對(duì)松鼠的研究為人類(lèi)運(yùn)動(dòng)研究人員和工程師分享的 “在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中決策、學(xué)習(xí)和行為的作用” 提供了新的見(jiàn)解?！斑@種適應(yīng)跳躍和著陸結(jié)構(gòu)的力學(xué)和幾何形狀的行為靈活性，對(duì)于準(zhǔn)確跨越間隙以降落在小目標(biāo)上非常重要?！?亨特表示。

事實(shí)上，亨特團(tuán)隊(duì)針對(duì)松鼠的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)正是側(cè)重于決策。該團(tuán)隊(duì)在跳躍平臺(tái)上使用了三個(gè)具有不同柔韌性的模擬樹(shù)枝：一根樺木桿、一根塑料管和一根覆蓋黃銅桿的塑料管，借以觀察松鼠用來(lái)調(diào)整太快或太慢的跳躍動(dòng)作后幾種不同的著陸動(dòng)作。

例如，如果松鼠跳躍時(shí)越過(guò)著陸平臺(tái)，它們會(huì)繞著樹(shù)枝向前滾動(dòng)；如果它們跳得有點(diǎn)短，它們會(huì)用前腿抓住樹(shù)枝并在樹(shù)枝下擺動(dòng)，拉起自己去拿花生；但有時(shí)，松鼠的跳躍也會(huì)恰到好處。

研究團(tuán)隊(duì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，松鼠有時(shí)會(huì)采取創(chuàng)新的、類(lèi)似跑酷的動(dòng)作來(lái)縮小差距并獲得美味的花生，即在跳躍中重新調(diào)整身體的方向以獲得更平滑的降落方式。為了測(cè)試松鼠采取這種策略的頻率，該團(tuán)隊(duì)同時(shí)調(diào)整了間隙距離和著陸高度。

結(jié)果顯示：十只松鼠總共完成了 324 次該種跑酷跳躍試驗(yàn)，尤其在中跳和長(zhǎng)跳中，松鼠們都非常一致地使用了這種動(dòng)作。這意味著適應(yīng)性跳躍、學(xué)習(xí)控制和反應(yīng)穩(wěn)定操作的行為對(duì)松鼠成為跑酷高手起著至關(guān)重要的作用。

“目前，還沒(méi)有像松鼠那樣敏捷的機(jī)器人，也沒(méi)有能夠在復(fù)雜環(huán)境中學(xué)習(xí)或做出動(dòng)態(tài)任務(wù)決策的機(jī)器人 —— 但我們的研究表明了這種機(jī)器人需要的各種能力。這變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槟氵€必須評(píng)估你的環(huán)境?！?亨特表示。

接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)研究松鼠生物力學(xué)的復(fù)雜性及其與認(rèn)知的聯(lián)系，希望有朝一日能制造出具有類(lèi)似松鼠跳躍能力的機(jī)器人。

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參考：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/697