科学家操纵半电子甲虫飞行

2015-05-14 10:01:42

据国外媒体报道,美国加利福尼亚州大学伯克利分校和新加坡南洋理工大学的工程师在甲虫身上安装无线电发射机“背包”并利用这个背包控制甲虫的飞行。这在研制半电子昆虫的历史上还是第一次。借助于无线电发射机,他们能够控制甲虫的起降,空中盘旋和转向。这项技术意味着半电子昆虫将在未来的某一天充当在灾区执行任务的无人侦察机。此外,工程师还表示无线电控制甲虫飞行让他们进一步了解这种昆虫的生物学特征。

研究过程中,加州大学伯克利分校和南洋理工大学的工程师将目光聚焦甲虫用于转向的肌肉。研究中使用的甲虫是巨型花金龟,学名“Mecynorrhina torquata”,平均身长2英寸(约合6厘米),重0.3盎司(约合9克)。他们在花金龟背部安装微型电脑和无线电装置,在花金龟飞行过程中记录数据。研究中,工程师发现一块用于控制翅膀折叠的肌肉对花金龟的空中转向也至关重要。他们利用这些信息改进花金龟远程遥控转向的精确度。研究论文刊登在《当代生物学》杂志上。

科学家认为这项研究不仅揭示出无线传感器应用于生物学研究的潜力,同时也有望孕育出一系列应用,例如用于在对人类过于危险的地区辅助搜救行动的工具。南洋理工大学助理教授希罗塔卡-萨托表示:“甲虫是理想的研究对象,因为它们能够搭载相对较重的有效负荷。我们很容易在它们身上安装小型麦克和热传感器,用于执行搜救任务。借助于这项技术,我们可以安全地探索此前无法进入的地区,例如倒塌建筑的小角落和裂缝。”

加州大学伯克利分校的副教授米切尔-马哈比兹指出:“这项研究说明微型电子设备可用于解答科学界的一些有趣的基本问题。为了记录和研究飞行昆虫,生物学家通常不得不用绳子将它们拴住。由于这种做法,他们很难法确定系绳是否会影响昆虫的天然飞行动作。”

在进行这项研究前,科学家很难解释较小的肌肉在精确转向过程中扮演的角色。根据这项研究,鞘翅目昆虫的第三腋片肌肉——翅膀关节处——在甲虫左转或者右转过程中发挥重要作用。萨托指出:“自1800年代以来,鞘翅目昆虫的这块肌肉便被认为只与翅膀折叠有关。我们的无线系统允许我们记录昆虫在自由飞行过程中的神经肌肉活动,让我们意识到这块肌肉也可用于转向。”

通过在花金龟飞行过程中对其进行刺激,控制花金龟的转向,科学家对第三腋片肌肉的功能进行了测试。这种刺激和控制通过花金龟的背包实现,背包内装有一个微控制器,内置无线接收器和发射机。花金龟的视神经叶和飞行肌与6个电极相连。测试飞行过程中,他们每毫秒向花金龟的背包传输信号,操控花金龟起飞,左转或者右转,甚至能够让其在半空中盘旋。

研究中使用的花金龟虽然没有系绳,但在一个封闭的房间内飞行。房间内装有8台运动捕捉相机,捕捉它的飞行动作。马哈比兹教授表示:“有关飞机肌的研究发现允许我们第一次验证更先进的自由飞行甲虫控制系统。这是工程学与科学合作的一个完美案例。”

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