大黃蜂的飛行秘密：如何在障礙重重的世界中飛行

在自然界中，大黃蜂以其驚人的飛行能力和在複雜環境中導航的技巧而著稱。一項由Sridhar Ravi領導的研究團隊進行的新研究，發表於《Journal of Experimental Biology》，揭示了這些令人印象深刻的能力背後的科學原理。

大黃蜂在其自然棲息地中經常需要穿越密集的植被，尋找食物或返回巢穴，使得它們能夠有效地識別和避開障礙物，以避免碰撞。儘管之前的研究已經展示了昆蟲如何利用視覺信息來控制飛行，但關於它們如何在複雜環境中避免障礙物的具體機制仍不完全清楚。

研究團隊設計了一個含有垂直排列障礙物的隧道（圖一），以模擬大黃蜂自然環境中的飛行挑戰，並使用高速攝影機追踪大黃蜂的頭部和胸部（圖二），觀察這些昆蟲如何檢測前方的障礙物並進行避障動作。

圖一、觀察大黃蜂飛行的實驗裝置：大黃蜂從其蜂巢中出發，經過隧道飛行並在取食室中尋找食物。在此過程中，大黃蜂必須穿越隧道中設置的障礙物，模擬了它們在自然環境中可能遇到的飛行挑戰。

圖二、研究人員在大黃蜂頭部和胸部上的放置標記以追蹤其身體運動，包括偏航軸（yaw）、俯仰軸（pitch）和翻滾軸（roll）。

本研究主要有以下三項發現：

1. 主動視覺：研究顯示，大黃蜂在飛行中通過穩定頭部增強了近處特徵與背景的運動對比，展示了其主動視覺的特徵，使得障礙物檢測成為可能。

2. 避障反應的調節： 當大黃蜂接近障礙物時，它們根據障礙物的相對視網膜擴張速度（RREV）調節自己的避障反應。這一發現顯示，大黃蜂可以根據即將碰撞的物體與自己之間的相對速度來調整其飛行軌迹。

3. 利用身體動作進行避障： 通過快速的滾轉動作，大黃蜂利用其胸部進行了迅速的避障動作，從而成功避免了碰撞。

圖三、大黃蜂如何接近障礙物並採取避讓動作的過程：
(A) 飛行軌跡： 展示了一隻大黃蜂如何接近一個障礙物並改變飛行方向以避開它。在這個插圖中，灰階變化表示沿著飛行軌蹟的時間變化，星號標誌著相對視網膜擴張速度（RREV）最大的位置，圓圈標示了障礙物的光學擴張速率最大的位置，十字標記了障礙物在蜜蜂視網膜上投影的最大角度（γmax）。
(B) 視網膜角度與相對視網膜擴張速度（RREV）： 描述了在飛行階段，障礙物在大黃蜂視網膜上所張開的角度（γ），以及視網膜上障礙物形象擴張的相對速度（RREV）。
(C) 飛行階段的總加速度（Acc.）： 大黃蜂在飛行過程中的總加速度數據。
將(A)至(C)比較，可以觀察到，當大黃蜂接近障礙物時，最大的RREV會在軌跡的較早位置出現，並且這一點與大黃蜂加速度的最大值相一致。這表明大黃蜂在飛行中透過預先感知即將到來的障礙物，並在接近障礙物時調整飛行速度和方向以進行避障。

大黃蜂的這些飛行技巧展示了自然界中生物的適應性和進化的精妙。進一步研究這些策略不僅可以幫助我們更好地理解生物體的感官運動系統，還可以為人類技術的發展提供靈感。隨著這些研究的深入，我們期待未來會有更多生物啟發的技術被開發出來，以應對日益複雜的挑戰。這項研究不僅提供了大黃蜂如何在複雜環境中飛行和避開障礙物的新見解，而且對於開發新的生物啟發導航系統和機器人技術具有重要意義。通過模仿大黃蜂的這些策略，科學家可以設計出更加靈活和高效的無人機和其他機器人，使它們能夠在複雜環境中更好地導航。

撰文：余雪淩

原始論文：

Ravi, S., Siesenop, T., Bertrand, O. J., Li, L., Doussot, C., Fisher, A., ... & Egelhaaf, M. (2022). Bumblebees display characteristics of active vision during robust obstacle avoidance flight. Journal of Experimental Biology, 225(4), jeb243021.