鸟儿通过“张力结构”保持平衡，甚至在睡觉时也不会失去稳定性。
鸟类是动物王国中与人类并列的永久双足动物，拥有非凡的平衡感。作为恐龙的直系后代，鸟类在睡觉时是如何保持这种稳定性的？最近，科学家们终于揭开了这一谜团。
听起来像是故事，但这是法国国家自然历史博物馆(MNHN)和国家科学研究中心(CNRS)的一组科学家在《皇家学会界面期刊》上发布的最新研究成果。他们解释了鸟类如何在站立时睡觉，而不会失去平衡。众所周知，马和牛因为四条腿可以做到这一点，但对鸟类来说，乍一看并不明显。科学家们一致认为，这种稳定性来自“张力结构”(tensegrity)。这个词是“张力”和“完整性”的结合，指的是结构通过张力和压缩的微妙平衡来保持稳定的特性。
多面平衡
“这项研究的起点是通过功能形态学来理解进化机制，研究生物体的形态与功能之间的关系，”进化生物学专家、法国国家自然历史博物馆适应机制与进化研究部副主任Anick Abourachid表示，“我们特别关注鸟类的脚。”鸟脚的进化机制引起了研究兴趣，因为鸟类在结构上非常统一：“它们都是双足飞行的恐龙，自从这个群体起源以来，它们的结构就被设计成具有空气动力学效应的。它们无一例外都拥有刚性躯干、用于起飞和降落的下肢以及翅膀。”这种设计在各种环境中的鸟类中都很有效，这种多功能性一直令科学家们着迷。
鸟类的脚之所以特殊，是因为它们在结构上与人类的腿非常相似。鸟类是弯曲双足动物，这意味着它们站立时整个身体都是弯曲的。对人类来说，这相当于脚尖蹲着的姿势。尽管看起来不太舒服，但鸟类在这种姿势下放松，甚至可以站着睡觉，消耗的能量也较少。为了理解鸟类如何保持平衡，科学家们基于一种小型鸟类——斑胸草雀的解剖结构构建了一个数字模型。
在这个模型中，鸟的身体和脚骨被替换为杆，肌肉和肌腱则被替换为不同程度刚性的缆线，关节被想象成滑轮。研究人员首先使用一根缆线从“鸟”的骨盆开始，穿过所有关节，但这样的模型并不稳定。为了提高稳定性，他们引入了多条缆线，尤其是在膝盖后方的一根缆线。
鸟类确实有一根通过膝盖后方的肌腱，这种独特的解剖特征帮助模型实现了平衡。最终，模型像不倒翁一样，即便受到轻微干扰也能自行恢复平衡。
刚性与反应性
研究人员还发现，鸟脚肌腱的刚性对平衡至关重要。“鸟类是为数不多的拥有钙化肌腱的动物，几乎像骨头一样硬，”南特数字科学实验室的资深研究员Christine Chevallereau解释道。这种低弹性有助于减少鸟类受外界干扰的影响，使其在雪、雨或风中也能保持稳定，继续睡觉而不担心摔倒。
Chevallereau指出，鸟类的这种平衡机制完全是被动的，不需要大脑干预，因而不消耗能量。这种发现为未来高效能机械提供了启发，特别是在机器人领域，用以减少能量消耗和材料使用。
本文译自 CNRS News，由 BALI 编辑发布。