壁虎的尾巴是一种奇妙而多才多艺的东西。
在超过 15 年的壁虎研究中，加州大学伯克利分校和德国斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所的科学家们已经表明，壁虎在树木，在坠落时扶正自己，在失去抓地力时防止从树上掉下来，甚至推动自己穿过池塘表面，就像在水面上行走一样。
其中许多技术已在敏捷的壁虎式机器人中实现。
但是，加州大学伯克利分校综合生物学教授 Robert Full 和马克斯普朗克智能系统研究学院的教员、加州大学伯克利分校的前博士生 Ardian Jusufi 被最近的一项发现震惊了：壁虎也用它们的尾巴来帮助恢复他们把一个头变成一棵树。
那些头部碰撞可能不是壁虎的首选着陆，但 Jusufi 记录了在新加坡热带雨林的几个野外季节的 37 次滑翔中的许多此类硬着陆，使用高速摄像机记录了它们的轨迹和引起畏缩的着陆。他在撞击时以每秒 6 米或每小时 21 公里的速度记录它们的速度——每秒超过 200 英尺，或每秒约 120 条壁虎身长。
“在雨林树冠的高处观察壁虎令人大开眼界。起飞前，它们会上下左右移动头部，然后在跳下前观察着陆目标，仿佛估计旅行距离，”Jusufi 说。
视频显示，当这只壁虎——常见的亚洲平尾壁虎Hemidactylus platyurus——与一棵树正面碰撞时，它用爪子和带衬垫的脚趾抓住树干，随着头部和肩膀的反弹，它具有将尾巴压在树干上的杠杆作用，以防止自己向后翻倒在地上，并可能最终成为某人的晚餐。
“远没有停滞不前，其中一些蜥蜴在撞击时仍在加速，”Jusufi 说。“它们头朝下撞，从垂直方向以一个极端的角度向后倾斜——它们看起来像一个远离树的书架——在它们消散冲击能量时仅靠它们的后腿和尾巴固定。随着坠落——捕捉反射发生得如此之快，只有慢动作视频才能揭示潜在的机制。”
这种令人惊讶的行为，以及具有类似行为的尾巴的机器人也可以成功从坠毁着陆中恢复的演示，将于本周在《自然》杂志通讯生物学上发表。虽然这种类型的头朝下坠落之前没有记录在壁虎或其他滑翔动物中，但科学家们怀疑其他小型、轻便的跳跃者——特别是其他蜥蜴——在不可能完美跳跃时使用它作为备用。
“他们可能有更长的滑行时间，更平衡滑行，并且他们的着陆方式不同，但是，例如，如果他们试图逃跑，他们会选择做这种行为，部分原因是尺寸很重要，”Full 说，并指出蜥蜴从鼻子到尾尖只有几英寸。“当你那么小的时候，你的选择不是解决大问题的方法。所以，这是一种身体介导的解决方案，如果你更大，你就没有。”
Jusufi 和 Full 指出，类似于壁虎尾巴的结构可用于帮助飞行机器人(例如无人机)在垂直表面着陆时保持稳定。
据研究人员称，这种不寻常的行为是他们第一个在软机器人中记录、数学建模和复制的行为，它是如何以不可预见的方式使用像尾巴这样的进化创新的一个例子。脊椎动物的尾巴在水生动物中进化，可能是作为在水中推进的一种手段——Jusufi 也在研究这一点，并用起伏的软机器人进行建模。但事实证明，尾巴是一种用途广泛的东西，以至于蜥蜴进化出各种不同的进化，这是一个由自然选择为特定功能或适应而塑造的结构的术语，但已用于其他行为。
“Exaptations 是为许多行为而选择的结构，无论该结构最初是为了什么进化而来的，而且这是一个你不会想到的结构，”Full 说。“你可以看到令人难以置信的强大能力如何允许这些解释。”
“直到最近，尾巴还没有像腿或翅膀那样受到关注，但人们现在意识到我们应该将这些动物视为五足动物，在某种程度上——五足动物，”尤苏菲说。
Full 表示，随着机器人工程师尝试为机器人添加越来越多的功能，他们发现他们无法为每项功能都引入一个新部件。正如蜥蜴发现的那样，尾巴是一种可以有多种用途的结构。
“随着我们的机器人和物理系统的发展，工程师们都想做更多的事情。你猜怎么着?在某个时候，你无法优化机器人的一切，”他说。“你必须将事物用于其他行为才能获得这些行为。”
机器人弹射器
在新加坡，Jusufi 和他的同事使用高速摄像机记录壁虎跳到太近而无法滑翔的树上。尽管平尾壁虎不是特别适合滑翔——一些壁虎的皮瓣就像降落伞——但它有一定的滑翔能力，因此可以在空中机动。但是滑翔需要达到极限速度，这样蜥蜴才能在空中机动，而跳跃时间不够长。
由于在着陆前无法通过失速来滑行或减速，壁虎严重坠毁，通常是头朝下。当他们分析下降壁虎的轨迹和力学时，研究人员发现有些壁虎在撞击时仍在加速。大多数人无法用前脚抓住树。
“我们对热带雨林中这些小巧灵活的蜥蜴的实地观察显示，没有人认为这些壁虎可以用尾巴执行高度动态的防坠落反应，”Jusufi 说。“我们的实地观察表明，它们激发了被认为是滑翔飞行后爬到栖息的尾巴行为。”
研究人员对这种行为进行数学建模以确认他们所看到的在物理上是有意义的，但为了真正确定壁虎正在经历什么，他们决定在马克斯普朗克研究所建造一个类似于壁虎的软机器人，并用弹射器将其发射到墙。通过这种方式，他们可以测量壁虎着陆时实际承受的力以及脚产生的力。
他们用最先进的 3D 打印机 Carbon M2 制造的零件制造了尾部机器人，该打印机专为打印软结构而设计。脚配备了魔术贴以在接触时粘住，并且在尾巴上增加了一种机制，当前腿碰到表面并滑动时，它会向下压，就像壁虎的尾巴反射一样。
令人惊讶的是，有尾机器人在硬着陆时也取得了类似的成功。在野外，87% 的有尾壁虎成功降落在垂直表面上而没有摔倒，而无尾壁虎坠落的频率更高。(壁虎经常脱掉尾巴以逃避捕食者或它们的对手，然后再长出来。)无尾机器人在 15% 的试验中只能成功地降落在垂直表面上，而在有尾机器人的试验中，这一比例为 55%。
研究人员还发现，超过一定长度后，较长的尾巴不一定比较短的尾巴好得多：尾巴只有头部和身体总长度一半的机器人几乎和尾巴与鼻子相等的机器人一样成功——通风口长度。然而，短尾机器人需要两倍的脚力才能保持附着在树上。
Full 和 Jusufi 继续研究壁虎的行为，以寻找可应用于机器人设计的原理——特别是可以栖息在树上并落在垂直表面上的软机器人——同时也探索壁虎的进化起源动物运动。Full 说，一个关键的结论是，虽然工程师可能会寻求设计最佳机器人，但大自然永远不会这样做。
“进化不是关于最优和完美，而是关于充分性。恰到好处的解决方案确实可以为您提供广泛的功能，以便您在具有挑战性的环境中更加强大，”Full 说。“进化看起来更像是一个修补匠，他永远不知道自己会生产什么，并使用他们可以使用的一切来制造可行的东西。”
“越来越多的人发现没有明显的飞行形态适应性的小型树栖动物表现出惊人的空中机动能力。软机器人物理模型可以帮助破译这种机械介导的着陆解决方案的控制，”Jusufi 说。
