​松鼠登上最新Science封面，“跑酷” 高手究竟是怎样炼成的？

如果动物世界也有奥运会的话，那么松鼠想必是啮齿动物中当之无愧的体操冠军，除了绝佳的平衡能力，它们甚至可以在细窄的树枝或者陡峭的地形之间优雅地跳跃。

近日，一项研究发现，当野生松鼠们在高处的复杂地形中穿梭时，为避免由于不小心坠落而丧命，它们会瞬间测算出自身位置到落点之间的精准距离，并及时调整动作以完成最佳跳跃。针对一些特别危险的地形，它们甚至可以像表演杂技一样在空中自由腾挪，如同一个天生的 “跑酷达人”。

为了弄清楚松鼠瞬间测算能力的形成原因，来自美国内布拉斯加大学生物力学系的助理教授纳撒尼尔 H. 亨特（Nathaniel H. Hunt）和团队进行了一系列关于松鼠跳跃行为的评估实验。

实验证明，生物力学能量控制和试错学习之间的相互协同作用，或是决定松鼠实现精准跳跃的主要因素。8 月 6 日，相关研究以论文形式发表在 Science。

该论文以《杂技松鼠学会在树枝上跳跃和着陆而不坠落》（Acrobatic squirrels learn to leap and land on tree branches without falling）为题，纳撒尼尔 H. 亨特担任通讯作者。

松鼠如何成为跑酷高手？

“松鼠是在树梢间穿梭的高手，从一个树枝跳到另一个树枝不会摔倒。作为熟悉平衡和敏捷性生物学极限的模式生物，我认为松鼠是首屈一指的。此外，他们也是二维和三维空间定位的大师 —— 通过感官线索在空间中移动。” 亨特表示。

为了观察松鼠的跳跃行为，亨特选择了伯克利校区自由放养的松鼠作为研究对象。据了解，该校区拥有两种松鼠物种，分别是东美松鼠（Sciurus carolinensis）和狐狸松鼠（Sciurus niger）。

该团队对这些松鼠们倾注了大量心血，为了准确观察到松鼠每次跳跃的区别，研究人员通过注射器将不同颜色的染料标记在每只松鼠的毛皮上，以跟踪松鼠的日常。他们甚至在在校园西侧的小森林区域建造了一个户外障碍训练场，用以模拟不同树枝间距离或者高度的差异。

实验装置包括一个坡道，以及通向不同柔韧性和刚度模拟树枝的****平台，而在着陆点附近还有一个盛着花生的杯子，以激励松鼠在****平台和着陆点之间进行跳跃。一旦松鼠从杯子里取下花生，团队就开始逐渐增加横梁末端和着陆平台之间的间隙。大多数松鼠在 30 分钟内就掌握了这项任务。

实验过程中，改变松鼠起跳点的灵活性对实验结果至关重要，因为它迫使参与的松鼠在稳定性和跳跃距离之间找到可行的权衡。因此，研究人员在实验中为松鼠逐渐增加了难度，增加了树枝的灵活性或刚度范围以及最小间隙距离。

但是松鼠很快就想出了如何改变它们跳跃的生物力学的方法，当从更灵活的模拟树枝上跳下来时，它们会更加谨慎。

在一系列的实验验证下，该团队发现松鼠在实施跳跃行为的时候，会根据环境的具体情况实时调整自己的跳跃动作，比如改变起跳点和着陆点的位置等。不过松鼠们也是在尝试了几次后才能熟练掌握这种方式，即它们会通过不断学习来提高自身适应环境的能力。

复杂环境下动态决策至关重要

虽然在人类观察者看来，松鼠的生活无比单调，基本在重复着吃、睡、爬等步骤，但不可否认的是，松鼠也会涉及到精细调整的认知技能。

此外，松鼠拥有着强大的空间记忆能力，它们会在秋季的六到八周内搜集冬季所需的坚果和橡子，将每个坚果分别埋起来，并在数月之后凭借记忆再来取回。也正由于这种记忆认知，松鼠成为了专门的种子传播者。

亨特认为，对松鼠的研究为人类运动研究人员和工程师分享的 “在具有挑战性的环境中决策、学习和行为的作用” 提供了新的见解。“这种适应跳跃和着陆结构的力学和几何形状的行为灵活性，对于准确跨越间隙以降落在小目标上非常重要。” 亨特表示。

事实上，亨特团队针对松鼠的第一个实验正是侧重于决策。该团队在跳跃平台上使用了三个具有不同柔韧性的模拟树枝：一根桦木杆、一根塑料管和一根覆盖黄铜杆的塑料管，借以观察松鼠用来调整太快或太慢的跳跃动作后几种不同的着陆动作。

例如，如果松鼠跳跃时越过着陆平台，它们会绕着树枝向前滚动；如果它们跳得有点短，它们会用前腿抓住树枝并在树枝下摆动，拉起自己去拿花生；但有时，松鼠的跳跃也会恰到好处。

研究团队惊讶地发现，松鼠有时会采取创新的、类似跑酷的动作来缩小差距并获得美味的花生，即在跳跃中重新调整身体的方向以获得更平滑的降落方式。为了测试松鼠采取这种策略的频率，该团队同时调整了间隙距离和着陆高度。

结果显示：十只松鼠总共完成了 324 次该种跑酷跳跃试验，尤其在中跳和长跳中，松鼠们都非常一致地使用了这种动作。这意味着适应性跳跃、学习控制和反应稳定操作的行为对松鼠成为跑酷高手起着至关重要的作用。

“目前，还没有像松鼠那样敏捷的机器人，也没有能够在复杂环境中学习或做出动态任务决策的机器人 —— 但我们的研究表明了这种机器人需要的各种能力。这变得更具挑战性，因为你还必须评估你的环境。” 亨特表示。

接下来，该团队将继续研究松鼠生物力学的复杂性及其与认知的联系，希望有朝一日能制造出具有类似松鼠跳跃能力的机器人。

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参考：

https://science.sciencemag.org/content/373/6555/697