松鼠如何成為“跑酷高手” 機器人能否學習其能力？

松鼠能從彎曲的樹枝上跳下來，“飛越”難以置信的距離，在墻壁上“著陸”，然后迅速跑走。

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，刊登于《科學》的一項研究試圖找出這些問題的答案。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(fā)在不同環(huán)境中靈活移動的機器人，例如搜救機器人。

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在過去幾十年里致力于研究壁虎、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，產生關于哪些動作是可行的知覺信息，然后從可能性選項中選擇適當?shù)哪切?rdquo;未參與該研究的紐約大學的Karen Adolph和東北俄亥俄醫(yī)科大學的Jesse Young在同期發(fā)表的評論文章中寫道。

為了找到答案，F(xiàn)ull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(yǎng)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(huán)境。在這里，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后果，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(fā)現(xiàn)，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(huán)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，以決定從哪里起跳。”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并非同樣重要。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，以至于松鼠從來沒有掉下來過，盡管它們有時會跳得過高或過低。”Hunt說，“它們并不總能取得最好的‘成績’，但只要足夠優(yōu)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(chuàng)新性發(fā)揮作用的地方。

從嘗試中學習 在學習中創(chuàng)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(jù)著陸點的穩(wěn)定性實時改變降落動作以及在空中的姿態(tài)。結果發(fā)現(xiàn)，如果松鼠騰空而起時速度過快或過低，它們可以采用各種靈活的著陸方式進行機動補償。

如果跳得太遠，它們就會繞著樹枝向前翻滾;如果跳得太近，它們會用前腿著陸，然后在樹枝下面搖擺，并用爪子把自己拉到樹枝上面。“這種自適應規(guī)劃行為、學習控制性和反應穩(wěn)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(chuàng)新。在復雜的跳躍過程中，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，確保更好地著陸。

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(xiàn)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。刊登于《通訊—生物學》的論文顯示，隨著時間的推移，松鼠大腦的相對大小在增加，這主要是由于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(qū)域的新皮層變得更大，幫助穩(wěn)定眼球運動的巖狀小葉也增大了。研究人員表示，這些區(qū)域的擴大有助于棲息在樹上的嚙齒動物適應復雜環(huán)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(huán)境和動作之間關聯(lián)的經驗，所以發(fā)育過程也是動物學會測量和調整自己動作的關鍵環(huán)節(jié)。

有效運動在于匹配環(huán)境

在自然界中，動物總是具有非凡的運動能力：螨蟲能舉起相當于其體重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/小時的速度俯沖向獵物。即使是人類嬰兒在自由玩耍時，每小時也能移動相當于8個足球場的距離。然而，在現(xiàn)實世界中，動物的運動并不總處于最強、最快或最活躍的狀態(tài)。

“確切地說，有效的行動是一個每時每刻將身體狀態(tài)與環(huán)境特征相匹配的過程。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(huán)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(xiàn)出了類似的校準能力和創(chuàng)造力。”

現(xiàn)實世界中的運動需要靈活性和創(chuàng)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，那么會發(fā)現(xiàn)在樹冠和其他復雜地形下，適用于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(xù)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：在復雜樹林中，松鼠是聰明的雜技演員。(記者 唐鳳)

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