清华-中科院团队给鸵鸟装上机械翅膀，但不是为了让它飞起来

背着机械翅膀的幼年鸵鸟，视频来自论文，DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006846.s009 

撰文 刘悦晨 戚译引

鸵鸟虽然有着和体型相称的大翅膀，却已经在漫长的演化过程中失去了飞行的能力。不过，如果给它们多装一对机械翅膀会怎么样？

近期，清华大学与中国科学院古脊椎动物与古人类研究所就合作进行了这样一个有趣的实验。背上机械翅膀的鸵鸟仍然飞不起来，却揭示了一个重要结论：奔跑时翅膀不自主的扇动能够提供升力，这可能是鸟类祖先开始获得飞行能力的原因。

这项充满创造性的研究成果近日发表于《公共科学图书馆·计算生物学》（PLoS Computational Biology）期刊上。科研圈对论文通讯作者、清华大学精密仪器与机械学系赵景山副教授进行了邮件采访。

为了了解恐龙的运动方式，科学家常常求助于今天的鸟类，因为它们仍然保留了恐龙祖先的许多特征。2014 年，伊利诺伊大学芝加哥分校（University of Illinois at Chicago）的研究人员就做过一个实验，给鸡装上假尾巴，模拟双足恐龙的步态。这项研究后来获得了次年的搞笑诺贝尔奖。

装着假尾巴的鸡，DOI: 10.1371/journal.pone.0088458.s001 

清华大学的这项研究则首次用机械工程的方式探索了飞行的起源。背着假翅膀的幼年鸵鸟“扮演”了一种小型恐龙——尾羽龙（Caudipteryx，别名尾羽鸟）。尾羽龙生活在距今约 1.25 亿年前的白垩纪，属于兽脚亚目，体型与研究所用的幼年鸵鸟相当。尾羽龙化石最早发现于我国辽宁省的尖山沟，隶属于地层学上著名的热河生物群义县组。

尾羽龙的身上还覆盖着羽毛，整体外形也与鸟类十分相似。化石研究表明，尾羽龙兼具了爬行动物和鸟类的特征，并且有着明显的正羽，即今天的鸟类身上对飞行起到关键作用的羽毛，这一发现无疑为“鸟类演化自恐龙”这一观点提供了重要的依据。虽然近年来对于尾羽龙的系统发生地位、与现代鸟类之间的演化关系等问题依旧争议不断，但主流的观点认为，尾羽龙可能就是现代鸟类的恐龙祖先。因此，对于尾羽龙的深入研究将更好地帮助科学家们了解现代鸟类飞行能力的演化。

尾羽龙复原图。图片来源：Wikipedia

飞行起源不仅是古生物学界十分关注的话题，或许也能为机器人设计带来新的灵感。赵景山介绍：“我们最初的研究课题是高效扑翼飞行机器人的设计。2010 年，我们就已经设计了模拟鸟类扑翼的机器人并成功进行了试飞，但是机械效率不高。于是我们开始思考，鸟类是如何获得飞行能力的？鸟类飞行起源于何处？通过检索资料，我们发现，根据古生物学家的研究成果，鸟类是由恐龙演化而来。因此，我们便开始了与中科院古生物与古人类研究所的学者合作，一道研究有羽恐龙的飞行演化。”

为了解答这个问题，赵景山及其研究团队进行了三组实验。首先，研究者们通过对尾羽龙化石进行测量与分析，开发出了尾羽龙身体结构的简化数学模型。基于这一数学模型，他们得以模拟尾羽龙腿部的奔跑动作，并可以同时计算出身体其他部位的反应数值。研究发现，当奔跑的速度达到约每小时 9～20 千米，相当于人骑自行车的速度，尾羽龙模型的翅膀就会随着奔跑节奏产生不自主的上下振动。

在理论模型验证成功后，他们开始在机器人“Pirdipteryx”身上进行实验。当 Pirdipteryx 在跑步机上奔跑时，研究者们观察到了同理论模拟一致的翅膀振动，即使改变机器人的翼展，也不会对奔跑时翅膀的协同振动产生影响。

模拟尾羽龙的机器人 Pirdipteryx。图片来自论文，DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006846.s002

最后，研究团队借助鸵鸟进行了现场测试。赵景山和同事们将力传感器和一组机械翼固定在幼年鸵鸟背上，发现当鸵鸟奔跑时，机械翼会随着奔跑的节奏出现明显的振动，同时力传感器也测量到了微弱的升力。

研究团队认为，类似的过程在尾羽龙奔跑时也可能发生。尾羽龙可能已经注意到，在拍打翅膀拍打时奔跑变得更加容易了，久而久之，它们在奔跑时便开始习惯性地拍打翅膀。这一行为最终演变成为飞行：只要奔跑的速度足够快，翅膀扇动的频率足够大，产生升力将足以为现代鸟类的祖先实现初次飞行提供足够的动力。

这项研究为陆地奔跑起源说（cursorial / ground-up theory）提供了有力支持，但飞行起源本身仍然是一个充满争议的话题。

例如在《纽约时报》（New York Times）的相关报道中，欧洲同步辐射装置（European Synchrotron Radiation Facility，ESRF）和瑞典乌普萨拉大学（Uppsala University）研究恐龙飞行的 Dennis Voeten 认为，这篇研究的结论下得过于草率，从机械模拟观察到翅膀振动，“不能证明这种动态会‘训练’早期带有羽毛的恐龙像鸟一样拍打翅膀”。而布朗大学（Brown University）博士生 Armita Manafzadeh 指出，机械翅膀是被动运动的，不能完全模拟能够自主活动的肢体。

对此，赵景山说：“受迫振动是自然界中普遍存在的物理规律，任何具有质量和刚度的连续体都会在外激励作用下产生强迫振动。生物体也一样，不是其主观能够完全抑制的。而且这种被动的运动并不会给运动的生物体带来任何不方便或不利影响，为什么它们要主动去阻止这样的运动呢？”

赵景山指出，论文中专门谈到了这个问题，并提供了小鸵鸟自由奔跑的视频，“从视频中可以发现，小鸵鸟两侧的小翅膀在奔跑激励下的强迫振动就是上下扑翼运动。这个运动对小鸵鸟来说完全是无意识下的被动运动，而恰恰是这个无意识下的被动训练教会了有羽恐龙扑翼运动。这完美地解释了我们的理论分析。”

自由奔跑的小鸵鸟翅膀的受迫振动。动图来自论文，DOI: 10.1371/journal.pcbi.1006846.s008

关于飞行的起源，除了陆地奔跑起源说之外，还存在两种重要的假说：树栖起源说（arboreal / tree-down theory）认为鸟类的祖先为了避免从树上掉下来摔伤，不断拍打前肢，进而学会了飞行；而飞行斜坡起源说（incline running / WAIR theory）认为鸟类的祖先最初借助前肢的运动冲上陡峭的斜坡。

赵景山说：“我们将继续通过实验和理论研究两条途径，来量化被动扑翼下不同羽翼能够获得的气动升力和推力。”一些古生物学家也在进行运动模拟研究，或通过化石证据分析飞行演化过程中羽毛、骨骼、器官发生了怎样的变化。无论最终被证明的是哪个猜想，都会是未来值得期待的事情。

【相关论文】

Talori YS, Zhao J-S, Liu Y-F, Lu W-X, Li Z-H, O'Connor JK (2019) Identification of avian flapping motion from non-volant winged dinosaurs based on modal effective mass analysis. PLoS Comput Biol 15(5): e1006846. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006846 

【参考资料】

1. Grossi B, Iriarte-Díaz J, Larach O, Canals M, Vásquez RA (2014) Walking Like Dinosaurs: Chickens with Artificial Tails Provide Clues about Non-Avian Theropod Locomotion. PLoS ONE 9(2): e88458. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0088458

2. New York Times (2019). Why Is This Ostrich Wearing an Extra Set of Wings? 2019.05.02

3. Gizmodo (2019). Running Dinosaur Robot Reveals a Possible Way Dinos May Have Evolved Flight. 2019.05.02

4. Chatterjee, Sankar & Jack Templin, R. (2012). Palaeoecology, Aerodynamics, and the Origin of Avian Flight. Chapter in Earth and Life. 10.1007/978-90-481-3428-1_18

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