蚊子是飞行速度最快的昆虫之一。它们每秒拍动翅膀超过800次，之所以能达到这样的速度，是因为翅膀上的肌肉拍动的速度比神经系统告诉它们的拍动速度快。
这种异步跳动来自飞行肌肉与昆虫弹性外骨骼的物理相互作用。这种神经命令和肌肉收缩的脱钩现象仅在四个不同的昆虫类群中很常见。
多年来，科学家们假设这四个群体分别进化出了这些超快的翅膀拍动，但佐治亚理工学院和加州大学圣地亚哥分校(UCSanDiego)的研究表明，它们是从一个共同的祖先进化而来的。这一发现表明进化反复开启和关闭这种特殊的飞行模式。研究人员开发了物理模型和机器人来测试这些转变如何发生。
飞蛾成为解开飞行进化的关键物种。与蚊子不同的是，飞蛾通过每次拍打翅膀时调整其飞行肌肉的速度来飞行，并同步激活其神经系统。与其他三种飞行昆虫一样，飞蛾的祖先进化出了异步飞行能力，但后来失去了这种能力。然而，即使数百万年后，飞蛾仍然保留执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思考振荡的两种基本方式上。他们使用生物物理模型和机器人平台，表明这两种策略是单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。
“我们的研究结果对于所有不同的实验条件都非常可靠，”博士杰夫高说。毕业于佐治亚理工学院，也是该论文的主要作者之一。“我们正在回顾4亿年前，从进化的角度来看古代昆虫肌肉的行为方式。”
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学的研究人员。该结果于十月份发表在《自然》杂志上，论文题为“在进化、生理学和机器人物理学中桥接两种昆虫飞行模式”。
同步中
许多昆虫同步飞行，使神经系统脉冲与翅膀运动相匹配。但较小的昆虫没有这方面的机制，必须更用力地拍打翅膀，这只能在一定程度上发挥作用。这就是异步飞行的用武之地。
“随着昆虫变得越来越小，它们的翅膀拍打频率增加到每秒100次，当你开始达到这个速度时，就会存在一种固有的速度限制，肌肉无法足够快地收缩和放松，”邓恩的西蒙·斯彭伯格(SimonSponberg)说家庭早期职业佐治亚理工学院物理和生物科学副教授。“如果它们试图收缩和放松机翼，它们就会开始重叠，然后最终锁定。”
相反，较小的昆虫已经进化到利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动，肌肉都会收缩。只需轻轻一拉伸，肌肉就会激活并自动产生翅膀的拍动。异步飞行使翅膀拍动的速度明显快于神经系统每次都必须激活和放松肌肉的情况。
解锁进化
虽然这种异步性自20世纪50年代以来就已为人所知，但科学家最初假设昆虫碰巧单独进化了这种特征。然而，最近出现了关于不同物种如何相互进化的新系统发育或家谱。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。异步性并不是单独进化了四次，而是所有飞虫都只进化了一次。随着时间的推移，一些昆虫群体自然失去了这种能力并转向同步飞行，而另一些则保留了这种能力。
“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，并且实际上只有一个，而不是使用多个独立的异步肌肉起源，”西顿山大学生物学助理教授、前任教授布雷特·艾洛说。Sponberg实验室的博士后研究员，帮助领导了这项研究。“从这个独立的起源开始，已经发生了多次回到同步的修订。”
飞行演化建模
斯彭伯格将飞行与振动的物理概念进行了比较，振动可以通过以下两种方式之一产生：定期推动系统，如弹簧或钟摆;与自我兴奋相比，或者当系统机制中的某些东西被拉动时自动开始向后推。
斯彭伯格说：“如果你曾经在汽车经销店看过那些跳舞的气球人，它会反复上升和倒塌。”“那里发生的事情是它正在振荡，不是因为你经常戳它，而是因为你实际上在底部提供了连续的空气喷射，这是与重力的权衡。”
实际上，异步飞行类似于气球，因为已经准备好的肌肉起到了一种自我兴奋的作用。为了研究这如何应用于昆虫，研究人员将重点放在飞蛾上，它们使用同步飞行，但仍然具有异步飞行的机制。
飞蛾建模
制作飞蛾的数学模型和机器人系统证明了是什么导致飞蛾在两种飞行方式之间切换，并更全面地描述了为什么会发生这种转变。高开发了肌肉如何为飞行或伸展做好准备的数学模型。一旦模型存在，加州大学圣地亚哥分校的机器人团队就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知识，”加州大学圣地亚哥分校副教授尼克·格拉维什说。“但是建造仿生机器人会迫使你设身处地为动物着想。”
该团队制作了两个机器人。其中一个是一个以飞蛾为模型的大型拍打机器人，以更好地了解翅膀的工作原理，该机器人被部署在水中，其粘度类似于微小昆虫在空气中移动的粘度。
“这种体型大得多、移动速度慢得多的机器人的物理原理与体型小得多但移动速度快得多的昆虫的物理原理相似，”博士詹姆斯·林奇(JamesLynch)说。毕业于加州大学圣地亚哥分校，并是该论文的共同领导者。
他们还建造了一个小得多的挡板机器人，它可以在空中运行，以复制实际飞蛾的大小，并以哈佛大学的Robobee为模型。这些机器人演示了研究人员开发的两个模型来解释这两种类型的飞行及其转换在现实条件下是否有效。实际上，他们制造了第一个能够异步拍动的机器人，并表明单个机器人可以重现进化过程中的转变。
只有研究人员拥有如此广泛的专业知识和知识，才有可能在进化论、物理学和机器人学方面做出发现。
艾洛说：“这种类型的跨学科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非常重要，以及我们如何将其应用到机器人系统中。”
