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还有跳丝蜘蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在降落前稳定身体，顺利着陆。
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漫画/艾尔
我的研究领域被称为比较生物识别技术，专门研究非人类生物运动背后的物理学，并经常与不同领域的专家合作。由于专业背景的差异，沟通过程可能导致许多差异，其中一些来自严谨的定义。
有这样一个故事：在英国的火车上，三位科学家，生物学家，物理学家和数学家，即将参加一个科学聚会。这时火车经过一片草原，窗外有一只吃草的黑羊。生物学家先开口，兴奋地说："原来，英国羊是黑色的！物理学家皱了皱眉头，道："你们这些生物学家真的不严格，你们只能说英国绵羊，这简直就是黑羊。然后数学家皱起眉头说："你们物理学家真的不严格，你们只能说，英国的羊，这一只，这边是黑色的。
这个笑话生动地代表了我在研究过程中遇到的场景，因为我是生物学背景，所以我通常是开玩笑的人。生物学是基于观察的动物行为研究的重要组成部分。在描述行为时，生物学家经常添加主观假设，有时并不完全正确。一个有趣的例子是，为什么跳跃蜘蛛在跳跃开始时会拉动电线。
跳蛛是蜘蛛的一个分支，这个群体中的大多数物种都不网，而是依靠跳跃来捕捉猎物。也许是因为它们跳上了苍蝇，它们也被称为苍蝇，因为它们有可能扑向兔子。生物学家发现，虽然跳蛛不太可能制造蜘蛛网，但它们仍然在腹部产生蜘蛛丝。跳跃的蜘蛛在跳跃之前会用腹部的末端指向地面，连接一根电线，当它跳跃时，腹部总是会拉动丝绸，就像电影中的蜘蛛侠在纽约大楼周围晃来晃去一样。如果跳跃的蜘蛛没有跳到预定目标并从空中掉落，蛛丝可以悬浮在空中，蜘蛛可以将丝拉回原来的位置或落到地面。因此，生物学家称这种丝绸为安全线，就像用于攀岩的安全绳一样。
漫威蜘蛛侠（惊喜蜘蛛侠Vol.4 #1封面）
然而，具有强大物理背景的生物识别技术对这一说法提出了质疑。从人类的角度来看，从比自己身体高出几十倍的位置跌落，肯定是一件可怕的事情。但跳蛛的身体又小又轻，空气阻力对它有很大的影响，终端速度的下降不宜快，即使从高空坠落，也不一定受伤。这种丝绸实际上有没有其他功能？
第一个研究这个问题的人是高中生陈永康。当他在台中读书时，他对跳蜘蛛的行为很感兴趣，所以他请中兴大学物理系教授纪凯荣博士指导研究。Ji Kairong博士是我们大学的主题教授，我们共同努力发现了已知最快的生物运动速率。可惜，陈永康进入实验室的时候，我还在上初中，没有机会知道。跳蛛研究的许多事情，后来都被姬先生听到了。陈永康和纪凯荣等人在实验室里用校园里常见的跳蛛Andersen adansoni作为实验对象，养了27只跳蛛。然后，他为跳跃蜘蛛设计了一个室内平台，并使用高速摄像机记录了安德森飞虎跳跃。有趣的是，他发现五只跳蜘蛛在跳跃时并没有从起点拉开。这样，只需与对照组，就可以比较蜘蛛是否穿丝对蜘蛛跳跃运动的影响。在比较了跳跃之后，团队发现了线程的一个重要功能：平衡。
平衡！这是生物力学领域的一个热门话题。不要看我们人类在走路、跑步或跳跃时如何容易平衡，这对机器人来说非常困难，尤其是跳跃。一旦相反方向的力在跳跃时没有穿过质心，身体就会在空中旋转，很难顺利着陆。类似的事情也发生在陈永康等人在实验室里观察到的跳蛛身上，未被刺的蜘蛛在空中失去平衡，最终落在目标上。另一方面，也有跳丝蜘蛛，它们可以在空中保持一定的姿势，在降落前稳定身体，顺利着陆。
图/跳蜘蛛时平衡丝的重要性（卡通/E-）
实验结果表明，无论是否被拉动，跳跃蜘蛛都能够在相似的高度和距离上跳跃，但拉动的个体表现出更高的滞后时间，水平减速和平衡。两次着陆情况的区别最为明显，个人用拉力是头部和脚后的水平姿势着陆，平均只要站稳0.01秒，而个人没有铁丝的是头部脚的垂直姿势落地，平均需要0.05秒才能站稳。拉线稳定身体的代价是消耗更多的机械能。没有拉力的跳跃蜘蛛主要受空气中空气阻力的影响，在着陆前会损失33%的机械能。蚕丝跳蜘蛛损失了76%的机械能，因为它通过向电线施加力以及空气阻力的影响来改变高度。从生物学的角度来了解这个结果，就会发现跳蛛能顺利着陆，大大影响了捕食能力，坠落的脚头显然很难捕捉到猎物。而如果跳蛛在躲避捕食者，站立不动需要5倍的时间，也可能被天敌俘虏。
研究结果表明，动物跳跃的平衡方式有第三种机制。过去，生物识别技术将跳跃平衡分为两类，即四肢的摆动和尾巴的摆动，两者都依赖于角动量守恒的原理，通过肢体在空中的运动产生角动量，这反过来又导致身体轴产生相反的角动量来保持平衡。跳蛛使用的平衡不是两者，而是通过蜘蛛丝拉动地面，产生额外的旋转，使蜘蛛不需要显着摆动其四肢或进化出沉重的尾巴。
图/安德森飞虎降落过程（a）具有平衡线的个体（b，c）不拉动平衡线的个体（Chen等人，2013）
该研究结果于2013年发表在《英国皇家学会杂志》上，标题为"不仅仅是安全丝：跳跃平衡丝"（不仅仅是安全线：盐酸盐的跳跃稳定丝），与论文链接：https://doi.org/10.1098 /rsif.2013.0572。
这项研究引起了蜘蛛科学家和仿生学的注意，已被引用19次（谷歌学术）。研究结果打破了生物学家所知道的，表明在跳跃之前拉动的电线不仅是为了安全，更重要的是帮助跳线者在空中平衡其身体，并极大地影响其捕食率和逃生机会。从引用该研究的论文列表中，可以发现这项生物力学研究激发了至少两个研究团队设计跳跃机器人。这是其中一个团队发布的视频，他们的跳跃机器人无法在空中保持平衡。为机器人制作平衡线后，可以安全着陆。
视频：受跳跃蜘蛛平衡线启发的跳跃机器人（Shield等人，2015）
影片的最后一段，一个跳跃的机器人拉着一根平衡线，以平稳着陆的时刻结束。我认为机器人接下来可能会反弹并翻倒，所以在这里停下来在着陆时可能需要一个缓冲机构，但至少可以解决空中翻转的问题。
令我惊讶的是，引用这篇论文的另一项研究是在国际空间站上进行的。该研究起源于空间站的实验计划，旨在测试跳跃的蜘蛛是否可以在微重力下被猎物并被组织者采用。于是，两只跳跃的蜘蛛被带到了国际空间站，其中一只设法跳了起来，抓住了漂浮在空中的果蝇。有趣的是，它在跳跃之前也有一个拉力，并在抓住果蝇后使用电线返回容器表面。虽然这种行为看不出丝绸是否还起着平衡的作用，但让安全丝绸真正有一个时间。现在我们也有自己的空间站，不知道什么时候还能拿跳蜘蛛跳回去？
图片/跳跃蜘蛛被带到国际空间站进行捕食者实验（David 2016）
引文：
Chen， Yung-Kang， et al. "不仅仅是一条安全线：盐酸的跳跃稳定丝。英国皇家学会界面杂志10.87（2013）：20130572。
希尔德、史黛西、卡伦·费舍尔和阿米尔·帕特尔。"蜘蛛启发的吊斗铲可以在移动机器人中实现空中俯仰。2015 IEEE/RSJ智能机器人与系统国际会议（IROS）。IEEE， 2015.
希尔，大卫E."跳蜘蛛在外太空（Araneae：Salticidae）"。佩克哈米亚 146 （2016）： 1-7.
扩展阅读：
白蚁的超高速射出---已知最快的生物运动速度|一切都结束了
背景：本文作者关才洙毕业于台湾中兴大学，现就读于中兴大学应用经济学。作者授权《好声音》首映。
负责编辑：孙媛