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還有跳絲蜘蛛，它們可以在空中保持一定的姿勢，在降落前穩定身體，順利着陸。
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漫畫/艾爾
我的研究領域被稱為比較生物識别技術，專門研究非人類生物運動背後的實體學，并經常與不同領域的專家合作。由于專業背景的差異，溝通過程可能導緻許多差異，其中一些來自嚴謹的定義。
有這樣一個故事：在英國的火車上，三位科學家，生物學家，實體學家和數學家，即将參加一個科學聚會。這時火車經過一片草原，窗外有一隻吃草的黑羊。生物學家先開口，興奮地說："原來，英國羊是黑色的！實體學家皺了皺眉頭，道："你們這些生物學家真的不嚴格，你們隻能說英國綿羊，這簡直就是黑羊。然後數學家皺起眉頭說："你們實體學家真的不嚴格，你們隻能說，英國的羊，這一隻，這邊是黑色的。
這個笑話生動地代表了我在研究過程中遇到的場景，因為我是生物學背景，是以我通常是開玩笑的人。生物學是基于觀察的動物行為研究的重要組成部分。在描述行為時，生物學家經常添加主觀假設，有時并不完全正确。一個有趣的例子是，為什麼跳躍蜘蛛在跳躍開始時會拉動電線。
跳蛛是蜘蛛的一個分支，這個群體中的大多數物種都不網，而是依靠跳躍來捕捉獵物。也許是因為它們跳上了蒼蠅，它們也被稱為蒼蠅，因為它們有可能撲向兔子。生物學家發現，雖然跳蛛不太可能制造蜘蛛網，但它們仍然在腹部産生蜘蛛絲。跳躍的蜘蛛在跳躍之前會用腹部的末端指向地面，連接配接一根電線，當它跳躍時，腹部總是會拉動絲綢，就像電影中的蜘蛛俠在紐約大樓周圍晃來晃去一樣。如果跳躍的蜘蛛沒有跳到預定目标并從空中掉落，蛛絲可以懸浮在空中，蜘蛛可以将絲拉回原來的位置或落到地面。是以，生物學家稱這種絲綢為安全線，就像用于攀岩的安全繩一樣。
漫威蜘蛛俠（驚喜蜘蛛俠Vol.4 #1封面）
然而，具有強大實體背景的生物識别技術對這一說法提出了質疑。從人類的角度來看，從比自己身體高出幾十倍的位置跌落，肯定是一件可怕的事情。但跳蛛的身體又小又輕，空氣阻力對它有很大的影響，終端速度的下降不宜快，即使從高空墜落，也不一定受傷。這種絲綢實際上有沒有其他功能？
第一個研究這個問題的人是高中生陳永康。當他在台中讀書時，他對跳蜘蛛的行為很感興趣，是以他請中興大學實體系教授紀凱榮博士指導研究。Ji Kairong博士是我們大學的主題教授，我們共同努力發現了已知最快的生物運動速率。可惜，陳永康進入實驗室的時候，我還在上國中，沒有機會知道。跳蛛研究的許多事情，後來都被姬先生聽到了。陳永康和紀凱榮等人在實驗室裡用校園裡常見的跳蛛Andersen adansoni作為實驗對象，養了27隻跳蛛。然後，他為跳躍蜘蛛設計了一個室内平台，并使用高速錄影機記錄了安德森飛虎跳躍。有趣的是，他發現五隻跳蜘蛛在跳躍時并沒有從起點拉開。這樣，隻需與對照組，就可以比較蜘蛛是否穿絲對蜘蛛跳躍運動的影響。在比較了跳躍之後，團隊發現了線程的一個重要功能：平衡。
平衡！這是生物力學領域的一個熱門話題。不要看我們人類在走路、跑步或跳躍時如何容易平衡，這對機器人來說非常困難，尤其是跳躍。一旦相反方向的力在跳躍時沒有穿過質心，身體就會在空中旋轉，很難順利着陸。類似的事情也發生在陳永康等人在實驗室裡觀察到的跳蛛身上，未被刺的蜘蛛在空中失去平衡，最終落在目标上。另一方面，也有跳絲蜘蛛，它們可以在空中保持一定的姿勢，在降落前穩定身體，順利着陸。
圖/跳蜘蛛時平衡絲的重要性（卡通/E-）
實驗結果表明，無論是否被拉動，跳躍蜘蛛都能夠在相似的高度和距離上跳躍，但拉動的個體表現出更高的滞後時間，水準減速和平衡。兩次着陸情況的差別最為明顯，個人用拉力是頭部和腳後的水準姿勢着陸，平均隻要站穩0.01秒，而個人沒有鐵絲的是頭部腳的垂直姿勢落地，平均需要0.05秒才能站穩。拉線穩定身體的代價是消耗更多的機械能。沒有拉力的跳躍蜘蛛主要受空氣中空氣阻力的影響，在着陸前會損失33%的機械能。蠶絲跳蜘蛛損失了76%的機械能，因為它通過向電線施加力以及空氣阻力的影響來改變高度。從生物學的角度來了解這個結果，就會發現跳蛛能順利着陸，大大影響了捕食能力，墜落的腳頭顯然很難捕捉到獵物。而如果跳蛛在躲避捕食者，站立不動需要5倍的時間，也可能被天敵俘虜。
研究結果表明，動物跳躍的平衡方式有第三種機制。過去，生物識别技術将跳躍平衡分為兩類，即四肢的擺動和尾巴的擺動，兩者都依賴于角動量守恒的原理，通過肢體在空中的運動産生角動量，這反過來又導緻身體軸産生相反的角動量來保持平衡。跳蛛使用的平衡不是兩者，而是通過蜘蛛絲拉動地面，産生額外的旋轉，使蜘蛛不需要顯着擺動其四肢或進化出沉重的尾巴。
圖/安德森飛虎降落過程（a）具有平衡線的個體（b，c）不拉動平衡線的個體（Chen等人，2013）
該研究結果于2013年發表在《英國皇家學會雜志》上，标題為"不僅僅是安全絲：跳躍平衡絲"（不僅僅是安全線：鹽酸鹽的跳躍穩定絲），與論文連結：https://doi.org/10.1098 /rsif.2013.0572。
這項研究引起了蜘蛛科學家和仿生學的注意，已被引用19次（谷歌學術）。研究結果打破了生物學家所知道的，表明在跳躍之前拉動的電線不僅是為了安全，更重要的是幫助跳線者在空中平衡其身體，并極大地影響其捕食率和逃生機會。從引用該研究的論文清單中，可以發現這項生物力學研究激發了至少兩個研究團隊設計跳躍機器人。這是其中一個團隊釋出的視訊，他們的跳躍機器人無法在空中保持平衡。為機器人制作平衡線後，可以安全着陸。
視訊：受跳躍蜘蛛平衡線啟發的跳躍機器人（Shield等人，2015）
影片的最後一段，一個跳躍的機器人拉着一根平衡線，以平穩着陸的時刻結束。我認為機器人接下來可能會反彈并翻倒，是以在這裡停下來在着陸時可能需要一個緩沖機構，但至少可以解決空中翻轉的問題。
令我驚訝的是，引用這篇論文的另一項研究是在國際空間站上進行的。該研究起源于空間站的實驗計劃，旨在測試跳躍的蜘蛛是否可以在微重力下被獵物并被組織者采用。于是，兩隻跳躍的蜘蛛被帶到了國際空間站，其中一隻設法跳了起來，抓住了漂浮在空中的果蠅。有趣的是，它在跳躍之前也有一個拉力，并在抓住果蠅後使用電線傳回容器表面。雖然這種行為看不出絲綢是否還起着平衡的作用，但讓安全絲綢真正有一個時間。現在我們也有自己的空間站，不知道什麼時候還能拿跳蜘蛛跳回去？
圖檔/跳躍蜘蛛被帶到國際空間站進行捕食者實驗（David 2016）
引文：
Chen， Yung-Kang， et al. "不僅僅是一條安全線：鹽酸的跳躍穩定絲。英國皇家學會界面雜志10.87（2013）：20130572。
希爾德、史黛西、卡倫·費舍爾和阿米爾·帕特爾。"蜘蛛啟發的吊鬥鏟可以在移動機器人中實作空中俯仰。2015 IEEE/RSJ智能機器人與系統國際會議（IROS）。IEEE， 2015.
希爾，大衛E."跳蜘蛛在外太空（Araneae：Salticidae）"。佩克哈米亞 146 （2016）： 1-7.
擴充閱讀：
白蟻的超高速射出---已知最快的生物運動速度|一切都結束了
背景：本文作者關才洙畢業于台灣中興大學，現就讀于中興大學應用經濟學。作者授權《好聲音》首映。
負責編輯：孫媛