果蠅翅膀受損還能維持飛行穩定性？

任何的飛行機器難免會遇到機翼受損的情況，了解昆蟲的飛行機制以及如何在損傷情況下進行調節，有助於改善仿生飛行機器人的設計，使其能夠更好地應對各種狀況和環境。

本篇論文透過虛擬實境系統研究果蠅在飛行中翅膀損傷的補償機制，當果蠅的單邊翅膀損傷時，為了保持飛行的穩定會微調翅膀擺動的幅度和頻率等。在量化果蠅的飛行表現後，可以發現補償誤差和相位差都與正常果蠅相似，增益卻較正常果蠅低，表示翅膀損傷的果蠅在調節飛行速度方面的能力下降，且凝視能力穩定度（Gaze stabilization）也降低。除了視覺方面的補償作用，果蠅腹部偏移的幅度與翅膀損傷程度成正比，說明了果蠅也會改變重心調整平衡（Fig1）。作者接著簡化果蠅的反應途徑成Open loop function和Closed loop function，可以發現翅膀損傷果蠅的阻尼係數增加，也就表示透過阻力讓震動幅度減少，提高了穩定性。然而，Flapping counter torque模型模擬後的結果，卻發現翅膀損傷果蠅的阻尼係數反而降低了，因此說明果蠅對翅膀損傷的補償作用不能僅由Flapping counter torque效應來解釋，這其中還包含了許多的機制，值得未來繼續探討。（Fig2）。

Fig1. 衡量翅膀損傷對飛行的影響。紅色：(左翅膀)受損果蠅，綠色：正常果蠅。(A) 將果蠅黏上一個磁針使其懸浮於兩磁鐵之間，讓果蠅身體能夠偏航運動（Yaw）。虛擬實境系統：產生視覺刺激。高速攝影機：紀錄飛行變化。(B) 果蠅對視覺刺激（黑色）的平均偏移角度。(C) 果蠅對視覺刺激的平均偏移角速度，且根據偏移方向區分為上下兩張圖。(D) 增益（Gain）：輸出（飛行速度）與輸入（視覺刺激）之間的比率，測量果蠅維持視線穩定的能力。相位差（Phase difference）：輸入與輸出之間的相位差。補償誤差（Compensation error，ε）：實際輸出(H)與理想輸出(Z0)之間的誤差，ε = ||Z0 - H|| 。 (E) 果蠅腹部偏移角度。 (F) 腹部偏移與翅膀損傷程度的關係。

Fig2. 補償作用在穩定性和飛行表現之間權衡。(A) 果蠅的反應途徑。(B) 將反應途徑簡化並區分為Open loop function和Closed loop function。(C) Open loop function的增益和相位差。(D) 果蠅的阻尼係數。(E) Flapping counter torque模型的阻尼係數。(原文Figure 5)

撰文：余旻珊

參考文獻：

Salem W, Cellini B, Kabutz H, Hari Prasad HK, Cheng B, Jayaram K, Mongeau JM. Flies trade off stability and performance via adaptive compensation to wing damage. Sci Adv. 2022 Nov 16;8(46):eabo0719. doi: 10.1126/sciadv.abo0719. Epub 2022 Nov 18. PMID: 36399568; PMCID: PMC9674276.