不只是安全絲：跳蛛空中平衡的生物力學 | 關貫之_風聞

導讀

　　有拉絲的跳蛛，它們可以在空中保持一定的姿勢，在落地前穩住身體，平穩落地。

　　文/關貫之

　　漫畫/鄂禹臻

　　我的研究領域叫做比較生物力學，是專門研究非人類的生物運動背後的物理原理，時常要跟不同領域的專家一起合作。由於專業背景的差異，溝通過程會產生許多分歧，其中一部分是來自對嚴謹的定義。

　　有一個故事是這樣的：在一列英國的火車上，有三個科學家坐在一起，分別是生物學家、物理學家與數學家，他們正要參加一個科學聚會。此時火車經過一片草原，窗外有一隻黑色的羊正在吃草。生物學家首先開口，他興奮的説:「原來英國的羊是黑色的！」物理學家皺了皺眉頭説:「你們生物學家真是不嚴謹，你只可以説英國的羊，這一隻是黑色的。」然後數學家也皺了皺眉頭説:「你們物理學家真是不嚴謹，你只可以説英國的羊，這一隻，這一面是黑色的。」

　　這個笑話很生動的呈現了我研究過程中會遇到的場景，由於我自己是生物學背景，所以我通常就是鬧笑話的那一個。生物學在動物行為這一方面，有很大一部分的研究基於觀察。在描述行為的過程中，生物學家時常會加入主觀的臆測，有時候並不完全正確。一個有趣的例子，就是跳蛛在跳躍的時候，為什麼要在跳躍起點拉一條絲線?

　　跳蛛科是蜘蛛的一個科，這個分類羣裏的物種大多數不會結網，而是依靠跳躍捕捉獵物。可能是因為它們跳向蒼蠅的動作大有猛虎撲兔之勢，因此它們也被稱作蠅虎。生物學家發現，雖然跳蛛不太會結網，但是他它腹部仍然會產生蜘蛛絲。跳蛛會在起跳前用腹部末端點一下地面，附着一條絲，等它跳起之後，腹部會一直拉着這條絲，就跟電影中的蜘蛛俠在紐約大樓晃盪一樣。如果跳蛛沒有跳達預定目標，從空中掉下去，這條絲可讓它懸掛在空中，蜘蛛可以拉着絲回到原來位置，或是垂降到地面。因此，生物學家把這條絲稱作安全絲，就像是攀巖時用的安全繩。

　　Marvel蜘蛛人(驚奇蜘蛛人vol.4 #1封面)

　　然而具有較強物理背景的生物力學家，對這個説法產生了質疑。從人類的角度來説，從比自己身體高數十倍的位置摔落，當然是一件恐怖的事。但是跳蛛的身體又小又輕，空氣阻力對其影響甚大，下落的終端速度應該不快，即使從高空落下，也不見得會受傷。有沒有可能這條絲其實有別的功能呢?

　　首先針對這個問題進行研究的是一位高中生，陳永康。他就讀台中一中時便對跳蛛拉絲的行為很感興趣，因此他請了在中興大學物理系任教的紀凱容博士指導研究。紀凱容博士是我大學專題的指導教授，我們曾經一起合作發現目前已知最快的生物運動速度。可惜陳永康進實驗室的時候我還在唸初中，沒有機會認識。許多跳蛛研究的事情是後來聽紀老師説的。陳永康和紀凱容等人以一種校園內常見的跳蛛，安德遜蠅虎(Hasarius adansoni)作為實驗對象，在實驗室中飼養27只跳蛛。接着，他給跳蛛設計了一個室內跳台，並且用高速攝影機記錄安德遜蠅虎跳躍的過程。有趣的是，他發現其中5只跳蛛在跳躍的時候竟然不會從起跳點拉絲。這樣一來，剛好有了對照組，可以比較拉絲與否對於跳蛛跳躍運動的影響。經過比較兩者跳躍的影片，研究團隊發現了這條絲線一個重要的功能：平衡。

　　平衡！這可是生物力學領域的熱門項目。別看我們人類可以輕易地在走路、跑步或跳躍時保持平衡，對於機器人來説，平衡是非常難的，尤其是跳躍。一旦起跳時施力的反方向沒有通過質心，身體便會在空中旋轉，很難平穩落地。而陳永康等人在實驗室觀察到的跳蛛也發生類似的事情，沒有拉絲的蜘蛛會在空中失去平衡，最後摔落在目標物上。反觀有拉絲的跳蛛，它們可以在空中保持一定的姿勢，在落地前穩住身體，平穩落地。

　　圖/跳蛛跳躍時平衡絲的重要性(漫畫/鄂禹臻)

　　實驗結果顯示，無論跳蛛是否拉絲，都能跳出相似的高度跟距離，但是有拉絲的個體展現出較高的滯空時間、水平減速以及平衡性。兩者落地的情況差異最為明顯，有拉絲的個體是頭前腳後的水平姿勢落地，平均只要0.01 秒就可以站穩身體，而沒有拉絲的個體則是以頭上腳下的垂直姿勢摔落地面，平均需要花費0.05 秒的時間才能站穩身體。拉絲穩定身體的代價，便是消耗較多的機械能。沒有拉絲的跳蛛在空中主要受到空氣阻力的影響，落地前會損失33%的機械能。而拉絲的跳蛛因為透過對絲線的施力改變仰角，連同空氣阻力的效應，跳躍過程會損失76%的機械能。從生物學的角度來理解這個結果，會發現跳蛛能否平穩降落，很大程度的影響捕食能力，頭上腳下的摔落顯然難以抓捕獵物。而如果跳蛛正在躲避天敵，要以5倍的時間才能站穩，也可能就此被天敵抓獲。

　　這個發現為動物跳躍的平衡方式提出第三種機制。過去生物力學家把跳躍平衡歸類為兩種，分別是四肢的擺動與尾巴的擺動，這兩種方式都是靠角動量守恆原理，透過肢體運動在空中產生角動量，進而使得體軸產生相反的角動量以保持平衡。而跳蛛所使用的平衡則不屬於這兩種，而是透過蜘蛛絲拉扯地面，產生額外的旋轉，如此一來，蜘蛛不需要大幅擺動肢體，也不用演化出厚重的尾巴。

　　圖/安德遜蠅虎的落地過程(a)有拉平衡絲的個體 (b,c) 沒有拉平衡絲的個體 (Chen et al. 2013)

　　這個研究結果於2013年發表在《英國皇家學會學報·界面》(Journal of the Royal Society Interface)，題目為《不只是安全絲：跳蛛科的跳躍平衡絲》（More than a safety line: jump-stabilizing silk of salticids）， 論文鏈接: https://doi.org/10.1098 /rsif.2013.0572。

　　這個研究同時受到蜘蛛學家與仿生學家的關注，目前被引用了19次(Google 學術的統計)。這個結果打破了生物學家既有的認知，表明跳蛛起跳前所拉的絲線不僅僅是為了安全，更重要的功能是幫助跳蛛在空中平衡身體，並且很大程度的影響其捕食率以及逃跑的機會。而從引用此研究的論文名單中可以發現，這個生物力學研究至少啓發了兩個研究團隊的跳躍機器人設計。以下為其中一個團隊公佈的影片，它們的跳躍機器人遇到了空中無法平衡的問題。在給機器人做了一條平衡絲之後，就能安穩的落地。

　　影片：受跳蛛平衡絲啓發的跳躍機器人(Shield et al. 2015)

　　這段影片最後一段，是拉了平衡絲的跳躍機器人，畫面在平穩落地的瞬間戛然而止。我想有可能是接下來機器人發生彈動並翻覆，所以停在這裏，很可能還需要有落地時的緩衝機制，不過至少已經能解決空中翻轉的問題。

　　讓我驚訝的是，另外一個引用這篇論文的研究竟然是在國際太空站進行的。這個研究起源於太空站實驗計劃徵選，有人提出要測試跳蛛是否能在微重力的情況下捕食，並且被主辦方採納。因此兩隻跳蛛被帶到了國際空間站，其中一個個體成功跳起並抓獲了漂浮在空中的果蠅。有趣的是，它起跳前也有拉絲，並在捕獲果蠅後利用這條絲回到了容器表面。雖然這個行為沒辦法看出絲線是否仍然扮演了平衡的角色，不過倒是讓安全絲名符其實了一回。現在我們也有自己的空間站了，不知道什麼時候也能帶跳蛛上去蹦一回呢?

　　圖/被帶上國際空間站做捕食實驗的跳蛛(David 2016)

　　引用文獻：

　　Chen, Yung-Kang, et al. “More than a safety line: jump-stabilizing silk of salticids.” Journal of The Royal Society Interface 10.87 (2013): 20130572.

　　Shield, Stacey, Callen Fisher, and Amir Patel. “A spider-inspired dragline enables aerial pitch righting in a mobile robot.” 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS). IEEE, 2015.

　　Hill, David E. “Jumping spiders in outer space (Araneae: Salticidae).” Peckhamia 146 (2016): 1-7.