蚊子是飞得最快的昆虫之一。它们拍打翅膀的速度超过每秒800次，因为它们翅膀上的肌肉拍打的速度比它们的神经系统告诉它们的速度要快。
这种不同步的跳动来自于飞行肌肉与昆虫弹性外骨骼的物理相互作用。这种神经指令和肌肉收缩的分离只在四种不同的昆虫群体中常见。多年来，科学家们一直认为这四个群体分别进化出了这些超快的翅膀，但佐治亚理工学院和加州大学圣地亚哥分校的研究表明，它们是从一个共同的祖先进化而来的。这一发现表明，进化过程反复开启和关闭了这种特殊的飞行模式。研究人员开发了物理模型和机器人技术来测试这些转变是如何发生的。
飞蛾成为解开飞行进化之谜的关键物种。与蚊子不同的是，飞蛾的飞行方式是通过神经系统的同步激活来调整飞行肌肉的速度。与其他三种飞行昆虫一样，飞蛾的祖先进化出了非同步飞行能力，但后来失去了这种能力。然而，即使在数百万年后，飞蛾仍然保留了进行异步肌肉收缩的能力。
尽管展示了进化模式，研究人员仍然需要解释昆虫如何在这两种飞行模式之间来回转换。为此，他们将飞行策略映射到物理学家认为振荡的两种基本方式上。利用生物物理模型和机器人平台，他们证明了这两种策略是一个统一模型的两个方面。如果进化调整了一些参数，昆虫可能会突然从同步飞行转变为异步飞行，反之亦然。
“我们的发现在所有不同的实验条件下都相当可靠，”佐治亚理工学院(Georgia Tech)的博士毕业生、论文的主要作者之一杰夫·高(Jeff Gau)说。“从进化的角度来看，我们正在回顾4亿年前古代昆虫肌肉的行为。”
这项工作本质上是跨学科的，结合了物理学、进化生物学和机器人技术的研究人员。研究结果发表在10月份的《自然》杂志上，题为“在进化、生理学和机器人物理学中架起两种昆虫飞行模式的桥梁”。
同步
许多昆虫同步飞行，使神经系统的脉冲与翅膀的运动相匹配。但较小的昆虫没有这样的机制，它们必须更努力地拍打翅膀，这只能在一定程度上起作用。这就是异步飞行的由来。
佐治亚理工学院邓恩家族早期职业物理学和生物科学副教授西蒙·斯彭伯格说:“随着昆虫变得越来越小，它们的翅膀拍动速度增加到每秒100次，当你开始达到这种速度时，就会有一种固有的速度限制，肌肉无法足够快地收缩和放松。”“如果它们试图收缩和放松翅膀，它们就会开始重叠，然后最终锁住。”
相反，较小的昆虫已经进化到使用神经系统向肌肉发送活动脉冲，然后无论翅膀是否需要拍打，肌肉都会收缩。只要轻轻拉伸一下，肌肉就会被激活，并自动产生振翼。与神经系统每次都必须激活和放松肌肉相比，异步飞行使翅膀拍打的速度快得多。
解锁进化
虽然这种不同步现象早在20世纪50年代就已为人所知，但科学家们最初认为，昆虫碰巧是单独进化出这种特征的。然而，最近出现了关于不同物种如何相互进化的新的系统发生学或家谱。利用这些系统发育，研究人员开发了模型来确定异步飞行是如何进化的。
他们的发现非常令人惊讶。对于所有的飞虫来说，非同步性并不是单独进化了四次，而是只进化了一次。随着时间的推移，一些昆虫群体自然失去了这种能力，转而进行同步飞行，而另一些昆虫群体则保持了这种能力。
“这里最大的进化发现之一是，这些转变是在两个方向上发生的，而不是使用多个独立的异步肌肉起源，实际上只有一个，”Brett Aiello说，他是西顿希尔大学的生物学助理教授，也是Sponberg实验室的前博士后研究员，他帮助领导了这项研究。“从这个独立的起源开始，发生了多次重新同步的修订。”
飞行的建模进化
Sponberg将飞行比作振荡的物理概念，振荡可以通过两种方式之一产生:有规律地推动系统，像弹簧或钟摆;相对于自我兴奋，或者当系统机制中的某些东西在被拉动时自动开始向后推。
“如果你曾经在汽车经销商那里看过那些跳舞的气球人，它会不断地上升和崩溃，”Sponberg说。“它在振荡，不是因为你有规律地戳它，而是因为你在底部提供了一个连续的空气射流，这是与重力的权衡。”
实际上，异步飞行与气球相当，因为已经启动的肌肉起到了一种自我兴奋的作用。为了研究这种方法如何应用于昆虫，研究人员把重点放在了飞蛾身上，它们使用同步飞行，但仍然具有异步飞行的机制。
建模飞蛾
建立飞蛾的数学模型和机器人系统，展示了飞蛾在两种飞行方式之间切换的原因，并对这种转换发生的原因给出了更完整的描述。高建立了一个数学模型来解释肌肉是如何为飞行或伸展做好准备的。一旦模型存在，加州大学圣地亚哥分校的机器人团队将其植入机器人物理模型中。
“你不需要机器人来学习生物学，”加州大学圣地亚哥分校的副教授尼克·格拉维什(Nick Gravish)说。“但建造一个仿生机器人会迫使你站在动物的角度考虑问题。”
该团队制造了两个机器人。其中一个是模仿飞蛾的大型扑翼机器人，以便更好地了解翅膀的工作原理，它被部署在水中，水的粘度类似于微小昆虫在空气中移动的方式。
“这个大得多的机器人移动得慢得多的物理原理类似于一个小得多、移动得快得多的昆虫，”加州大学圣地亚哥分校的博士研究生、论文的共同负责人詹姆斯·林奇(James Lynch)说。
他们还以哈佛大学的Robobee为模型，制造了一个更小的飞蛾机器人，可以在空气中复制实际飞蛾的大小。研究人员开发了两种模型来解释这两种类型的飞行及其转换，这些机器人证明了这两种模型是否在现实世界中有效。有效地，他们制造了第一个能够异步拍打的机器人，并表明单个机器人可以重现进化的过渡。
只有在研究人员拥有如此广泛的专业知识和知识的情况下，才有可能在进化论、物理学和机器人技术方面取得发现。
Aiello说:“这种跨学科的研究对于找到对控制动物运动的自然过程的深刻而有力的理解，以及我们如何将其应用到机器人系统中，是非常重要的。”
