松鼠能從彎曲的樹枝上跳下來，“飛越”難以置信的距離，在牆壁上“着陸”，然後迅速跑走。作為天生的“跑酷高手”，松鼠如何判斷自己能跳多遠？人們能否學習其靈活身姿確保運動更有效？機器人又能否“學習”它們評估自身的能力？近日，刊登於《科學》的一項研究試圖找出這些問題的答案。
作者 | 唐鳳
研究人員通過分析松鼠在穿越樹冠、高空跳躍時所做的瞬間決定，了解它們如何認識到自己敏捷性的極限，從而幫助開發在不同環境中靈活移動的機器人，例如搜救機器人。
松鼠“跑酷”登上最新一期《科學》封面。圖片來源：Lawrence Wang等
跳還是不跳？
《中國科學報》從美國加州大學伯克利分校獲悉，該校生物學家Robert Full在過去幾十年裡致力於研究壁虎、蟑螂和松鼠等動物是如何移動的，以及其身體和四肢如何幫助它們突破困境。
但是，這些動物如何決定是否跳下去？很顯然，運氣不可能讓每次看似極限的跳躍都成功。
“動物必須將行為與局部條件相匹配，產生關於哪些動作是可行的知覺信息，然後從可能性選項中選擇適當的那些。”
未參與該研究的紐約大學的Karen Adolph和東北俄亥俄醫科大學的Jesse Young在同期發表的評論文章中寫道。
為了找到答案，Full和內布拉斯加大學生物力學助理教授Nathaniel Hunt等人觀察了自由放養的松鼠。
在加州大學伯克利分校的桉樹林里，他們用食物誘使松鼠進入一個合適觀察的環境。
在這裡，它們必須決定是跳過去吃花生還是放棄食物。
“樹冠是研究感知—行為耦合的理想自然實驗室。對樹棲動物而言，錯誤可能會帶來嚴重後果，如摔傷是造成其肢體骨折的主要原因。因此，它們必須避免錯誤或迅速糾正錯誤。”Adolph和Young說。
Full發現，松鼠要從樹枝上跳躍時，樹枝越脆弱或越順滑，它們就越謹慎。而且，松鼠只做了幾次嘗試就適應了不同的環境。
“當跨越一個缺口時，它們會衡量樹枝的彈性和必須跨越的缺口大小，以決定從哪裡起跳。”Hunt告訴《中國科學報》，“當它們遇到具有新的力學特性的樹枝時，會在幾次跳躍中調整起跳動作。”
在松鼠做決定時，起跳樹枝的彈性和跳躍距離並非同樣重要。
事實上，樹枝彈性比間距重要6倍。
這可能是因為，松鼠知道如果計算錯誤，鋒利的爪子可以拯救自己。
“它們的爪子幾乎萬無一失，以至於松鼠從來沒有掉下來過，儘管它們有時會跳得過高或過低。”
Hunt說，“它們並不總能取得最好的‘成績’，但只要足夠優秀就可以了。即便跳偏了，它們也能夠抓住樹枝。”
這就是松鼠尋找最佳跳躍策略時創新性發揮作用的地方。
從嘗試中學習 在學習中創新
除了松鼠如何判斷起跳動作，研究人員還量化了它們如何根據着陸點的穩定性實時改變降落動作以及在空中的姿態。
結果發現，如果松鼠騰空而起時速度過快或過低，它們可以採用各種靈活的着陸方式進行機動補償。
如果跳得太遠，它們就會繞着樹枝向前翻滾；如果跳得太近，它們會用前腿着陸，然後在樹枝下面搖擺，並用爪子把自己拉到樹枝上面。
“這種自適應規劃行為、學習控制性和反應穩定性操作的結合，幫助它們在樹枝間快速移動而不會掉下來。”Hunt說。
騰空而起后，松鼠也有令人意想不到的創新。
在複雜的跳躍過程中，它們通常會調整身體方向，從垂直的表面推下去，就像人類“跑酷”一樣，調整到合適的速度，確保更好地着陸。
而支撐松鼠完成這一系列決策過程和動作的關鍵因素之一就是大腦。
松鼠和其他居住在樹上的嚙齒動物進化出了比穴居動物更大的大腦。
這種更強大的腦力賦予了它們在林地茁壯成長所需的關鍵能力，包括更好的視力和運動技能。
英國愛丁堡大學研究人員對38種現存和滅絕的嚙齒動物的頭骨進行了CT掃描，以研究動物大腦是如何隨時間變化的。
刊登於《通訊—生物學》的論文顯示，隨着時間的推移，松鼠大腦的相對大小在增加，這主要是由於它們的體重急劇下降。
而且，大腦中與視覺和運動技能有關的兩個關鍵區域的新皮層變得更大，幫助穩定眼球運動的岩狀小葉也增大了。
研究人員表示，這些區域的擴大有助於棲息在樹上的嚙齒動物適應複雜環境中的生活。
此外，Hunt等人認為，試錯學習在單個跳躍過程中控制了可用性知覺。
成年松鼠一生都在學習，不斷積累環境和動作之間關聯的經驗，所以發育過程也是動物學會測量和調整自己動作的關鍵環節。
有效運動在於匹配環境
在自然界中，動物總是具有非凡的運動能力：蟎蟲能舉起相當於其體重1000倍的重量，螳螂蝦以子彈般的力量攻擊獵物，游隼以539.13公里/小時的速度俯衝向獵物。
即使是人類嬰兒在自由玩耍時，每小時也能移動相當於8個足球場的距離。
然而，在現實世界中，動物的運動並不總處於最強、最快或最活躍的狀態。
“確切地說，有效的行動是一個每時每刻將身體狀態與環境特徵相匹配的過程。也就是移動必須因地制宜。”
Adolph說，“人類對運動的感知也是一個迭代過程，在這個過程中，在可變環境中移動的經驗產生了新啟示，新啟示反過來又促進了新經驗。松鼠和其他樹棲動物在學習如何在樹冠上跳躍時，很可能表現出了類似的校準能力和創造力。”
現實世界中的運動需要靈活性和創造力。“我認為松鼠是理解平衡和敏捷的生物學極限首屈一指的模型生物。”
Hunt說，“如果我們能了解松鼠是如何做到這一點的，那麼會發現在樹冠和其他複雜地形下，適用於其他動物和機器人高性能運動的一般原則。”
“我認為這是下一個前沿領域，即身體是如何決定運動的。這是一個重要的基礎生物學問題。”
Full說，他們將繼續探索動物生物力學能力和認知能力之間的相互作用。
顯然，這個實驗證明了每個人都知道的一點：在複雜樹林中，松鼠是聰明的雜技演員。