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鸟类如何启发建筑师

How Birds inspire Builders

子弹头列车产生音爆
足球运动员受脑震荡
飞机因气流颠簸
这所有问题似乎毫不相干
但解决方法可能相同——鸟类
《大脑能量》
和Emily Graslie一起来看吧
世界上大约有10800种鸟类
每个种类都是生态系统的一小部分
为了生存
鸟类进化出多种形态以获取多样能力
鱼鹰有两个可向后反转的脚趾
其爪子上到处是骨针
这使它们能够捕获健壮 湿滑无比的鱼
且不会滑落
美洲白骨顶的爪子似乎奇异地融合了鸭爪和鸡爪的特征
但这种改变使它们适应了地形
让它们在陆地上走路像划水一样容易
不会摇摇摆摆的
最后一个例子 鲸头鹤的嘴巴超大
因而能捕捉长鱼 蜥蜴 甚至是小鳄鱼
然后一下把它们咬断
一些设计师 譬如工程师
把鸟类的适应性提升到了一个新高度
并以此为灵感 来解决各种人类的难题
这种理念叫做仿生学
仿生学最好的例子之一是东京的新干线子弹头列车
二十世纪九十年代 新干线设计者遇到了严重问题
每当子弹头列车通过隧道
就会引起巨大的音爆
其产生原因在于列车把空气快速挤入隧道 压缩
就像挤压号角里的空气一样
幸运的是 其设计师中津英治是位狂热的鸟类爱好者
他采用了潜水翠鸟喙的形状作为火车头的模型
解决了音爆问题
并将车速提升了10%
在另一个受仿生学启发的例子中
大卫·史密斯博士为足球运动员设计的一款颈圈
就是基于下列想法
即啄木鸟舌头的自然适应性
能通过微量增加其脑内血压
来帮它们避免大脑损伤
但受鸟类启发进行设计
最明显的体现也许是在航空领域
英属伦比亚大学的一组研究者
正致力于把海鸥翅膀的生理学原理
应用于一种带铰链的新型机翼的开发
这使机翼能彻底改变形状
让飞机像海鸥一样 能对风况作出反应
为了将鸟类作为灵感来源
工程师们需要透彻了解鸟类形态如何影响其功能
而生物学家观察鸟类是为了理解它们的生态和进化
工程师们倾向于通过观察鸟类的示意图
来了解他们是如何工作的
菲尔德博物馆的博士后Chad Elision博士
把这两个领域结合在一起
他的研究包括我最爱的一些鸟类
以及仿生学界的宠儿——翠鸟
他向我解释了他如何把浸制的鸟类标本
转化为语义学和数学模型
因此我们不仅能了解翠鸟如何潜水
还能了解如何以它为原型来解决人类问题
鸟类有许多种形态与功能
即使在单一种类的鸟群中
也会有许多差异性
今天我们来看看翠鸟
但我觉得它们的俗名有点名不副实
它们真的都吃鱼吗?
不 事实上 大多数翠鸟不吃鱼
所以我想说 大概只有四分之一的翠鸟会冲进水里捕鱼
真的吗?
我认为这种情况大多数是
在如此多样化的种群中展现魅力的行为
譬如起飞的行为
譬如我们观察到的一些行为
然后这整个群体就有了这样的名字
如果只是看着这些标本
我可能会认为那些长着尖喙的是潜鸟
而这只更…
我把它拿起来
喙更宽更圆的鸟
也许就不是潜鸟
-这样假设恰当吗? -恰当
如果我是名神经系统科学家
想观察足球运动员在职业生涯中如何受伤
我也许会把啄木鸟这类鸟视为典型对象
来研究长期持续受伤产生的影响
但你的研究似乎表明
翠鸟是更好的研究对象
为什么呢?
比如说 我们想要了解某些行为之间的关系
某些与环境有关的行为
在这个例子中 就是把你的头撞到硬物上
理想情况下 我们能够把生命倒带
我们也许能将一种会撞击硬物的物种
与另一种与其近似的 但不会撞击硬物的物种相比较
翠鸟很适合做这实验
因为如果我们观察树的话
-就能够通过数年的收集获取其行为数据 -嗯
我们差不多能描绘出这些树的枝干
而这种生态系统有七种不同的情况
在这七段不同的时期
我们发现脑和喙变化一致
据Chad所说 在翠鸟这个群体中
潜水鸟至少独立地进化了七次
通过观察潜水翠鸟与非潜水翠鸟之间的共性
我们了解了
怎样的物理构造才能使这些翠鸟
以最高每小时25英里的速度头朝下冲进水里
而不把脑袋砸开花
当我们发现了这样的生理机制时
就可能有一天能利用它
为人类设计出更好的新的保护设备
在踢足球之类的情况下为人类提供保护
那为什么你对测量与研究鸟喙及大脑都感兴趣呢?
潜水鸟的行为能让我们研究大脑
把大脑与行为联系起来
然后研究行为与喙之间的关系
所以这三者可能相互间有联系
我想 研究那些能让我们更好地了解
进化是怎么对身体形态产生影响的
-所以它们与这相关? -与这相关 是的

那你到底怎么研究的?
你就拿出一只鸟
把它举起来
然后说 我打算从这儿到这儿量一下吗?
你到底是怎么获取数据的?
可能就是拿起一只鸟和一把尺
了解了喙的长度并不能让你了解喙的锥度
或相互间的区别
譬如这个例子中
铲嘴翠鸟和这只白腹翠鸟的喙长度差不多
白腹翠鸟在伊利诺亚州常见
为此 我们会用CT扫描 X射线电脑断层扫描术
来窥视这些鸟类的大脑内部
这样就能获得这些标本的三维数字化解剖模型
然后我们可以做更精确的测量研究
你是怎么做CT扫描的?
你是把这其中一只鸟就放在扫描床上然后扫描吗?
我们用这种高科技设备的时候
会把鸟放在汽水瓶里
然后它们会旋转
这儿有几只……两只翠鸟
所以我拿了点出来
这只有黑色的喙
这是一只潜水鸟
这只的喙更加扁平一点
所以这是一种吃昆虫的翠鸟
我在热带找到它们的
所以你用的是浸制样本
而不是干燥的研究用皮毛
是的 保存方法通常有三种
有研究用皮毛或骨骼
这有个笑翠鸟的头骨
还有这些浸制标本
我坐下来想了一会儿
思考哪种方式用来解答那些问题最合适
解答那些我们确实想琢磨出答案的问题
其中一个我想了解的是喙的外部
现在我们看这只笑翠鸟
我们能看到外面的角蛋白覆盖在这个角蛋白鞘上
在这下面是喙的骨头部分
如果想要了解这两者的关系
在这个例子中 你能看到内部的甲虫群清理干净了
这块骨骼一些角蛋白被破坏了
或者鞘已经消失了
因此我们看不了角蛋白和骨骼之间的关系
在骨骼标本中
我们有可能通过研究用毛皮来观察两者关系
但这个案例中的软组织被移除了
这是为了挖出大脑
差不多少了半块头骨 后面的头骨
所以要是想看脑壳结构 或是大脑形状
就要用到浸制标本
这就是其中一个挖掉大脑没啥帮助的例子
哈哈哈 说得好
要做CT扫描 我会这样
-抓住 这儿拧一下 -把它们拿出来
我们通常让酒精从脑袋上这样流下来 稍微滴一会
然后这有个高科技设备
就是这个有个小孔的泡沫
这时候我们可以将数只鸟一起扫描
然后把它们放进这个好看的塑料瓶里
用更多的泡沫塞住它们
-让它们在旋转扫描时不能移动 -是的
最后就完成了CT扫描
得到了一堆灰色切片的图像
-然后它会给出骨骼的3D数字模型 -懂了
一旦你收集了所有的信息
就完成了CT扫描 获得了测量尺寸
那你怎么测试这些模型的?
举个例子
这是个非常小的翠鸟
这有个笑翠鸟
我们要做的就是
我们从3D模型中发现这些喙有些部分是一样的
很明显 它们有很多的不同
但也有很多相同之处
譬如喙的尖尖处
我们可以在喙尖处定个小点
然后从那个点开始运用FancyMath
用这些计算方法来变形
把一只翠鸟的喙放入另一只翠鸟
或是把一只翠鸟的大脑放进另一只翠鸟里
这样我们就能观察大脑不同的部分
是怎样整体改变或者单独改变的
当你对这些小翠鸟中的一种变形时就能观察到
不管是对笑翠鸟 还是铲嘴翠鸟
还是游荡在那样的形状空间里吃鱼的翠鸟
懂了
我在康奈尔的合作者在2016年发表了一篇论文
让我开始思考这个问题
他们冰冻了一只塘鹅
把它扔进水里
-哦 真的吗? -一大水槽的水里 一个很大的水槽
你可以把它录下来
你可以在上面模拟探测
来测量那只冰冻的死鸟遭受的实际阻力
这是了解非潜水翠鸟的一种方式
譬如铲嘴翠鸟
我们可以对此进行模拟
要么用3D模型 也就是要用到数学
要么也可以用3D打印
所以下一步我们要做的是3D打印
然后做一些类似这样的液滴试验
来测量力量 了解功能
当然 这样使用这些博物馆标本很有趣
收集这边标本时
也就是50或者60甚至是100年前
没人能够预料到这些标本会怎样被使用
-是的 -我想这真的很好
是的 赋予它们生命 并使其流动
在水里移动
是的 把死去的鸟放进容器中
这就是“科学”
动物 所有生物的价值
并不在于人类可能通过模仿它们的适应性而获得的利益
然而深入博物馆看到这些收藏
看到这些设计和工程学问题的答案
而这类问题我们甚至从未想过要问
让我对它们以及地球上的生物多样性有了全新的欣赏角度

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译制信息
视频概述

来看看翠鸟在仿生学中的运用吧

听录译者

收集自网络

翻译译者

狗熊绣花

审核员

审核员MS

视频来源

https://www.youtube.com/watch?v=Vyulqm8wa30

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