大象鼻子如此灵活，关键在“鼻毛”

图片来源：Unsplash

撰文 | K. R. 卡拉韦（K. R. Callaway）

观察一头大象用鼻子翻找树根，就能看出象鼻兼具力量与敏感性。大象的鼻子有超过40 000块肌肉，既能掀倒一棵树，也能轻轻收拢掉落的碎片。幼象差不多要花近一年的时间，才能熟练掌握这种用法。而人类花了更久，才开始理解它们为何能够做到这一点。秘密或许就藏在象鼻的触须里。

研究人员分析了排列在象鼻上的触须，发现了一种独特的结构特性，它能帮助大象感知周围世界，并判断眼前的任务究竟更需要力量，还是更需要细腻的感知力。一项发表在《科学》（Science）上的研究显示，大象的触须与其他哺乳动物不同，其末端更柔韧，靠近皮肤的部分则刚度更高。

这一发现有助于科学家更好地理解大象的“感知世界”，也就是它们对世界独特的感官与知觉体验。德国马克斯·普朗克智能系统研究所（Max Planck Institute for Intelligent Systems）机械工程师安德鲁·K. 舒尔茨（Andrew K. Schulz，该研究的第一作者）说：“我们发现，大象简直像外星生物。它们的触须像角一样，还有一种令人费解的刚度梯度。”

由于大象的皮肤粗糙得像盔甲一样，研究人员早就知道，象鼻上的触须很可能承担了大量感觉任务，让大象能够细致地与周围环境互动。但若想真正理解这些微小的丝状结构，他们还需要看得更仔细。舒尔茨和同事除了进行成像观察和力学测试，还使用一台专为微小物体设计的 CT 扫描仪，对大象触须进行了数字化重建，这使团队能够从内到外全面分析触须的结构。

他们发现，靠近大象皮肤的那一段触须非常坚固，而且有较多孔隙；相比之下，末端的材料更致密，也灵活得多。为了弄清这种独特形态背后的力学原理，团队成员按真实的刚度梯度三维打印了一个放大版触须模型，并亲自上手体验。

德国马克斯·普朗克智能系统研究所触觉智能部主任凯瑟琳·J.库亨贝克（Katherine J. Kuchenbecker，该论文的通讯作者）说：“我当时在走廊里，一边走一边拿这根触须去触碰各种东西，那一刻我真的有种豁然开朗的感觉。”她注意到，用触须较硬的根部去碰坚硬物体时，反馈明显比用较软的末端去碰更扎实、更清晰。即使皮肤根本没有接触到物体，她也能借此感知物体的特性。

大象用象鼻呼吸、嗅闻、抓取物体、交流，甚至感知视线之外的东西，而这些体验都离不开触须的参与。美国西北大学生物医学与机械工程师米特拉·哈特曼（Mitra Hartmann，并未参与该研究）解释说：“几乎每一种哺乳动物，不只是大象，都有触须。这些触须的大小、形状和材料特性，几乎肯定都适应了相应物种在自身环境中运用触觉的方式。”

舒尔茨和团队把他们的数据整合进了一套可供其他领域研究人员探索的工具包中。他们尤其想知道，具有类似刚度梯度的材料是否能应用于机器人技术。在保持机器力量的同时，又让它们足够柔软、不至于损伤接触对象，这是机器人学面临的一大挑战。

英国伦敦大学皇家兽医学院生物学家约翰·哈钦森（John Hutchinson）表示：“这项研究是跨学科科学的绝佳范例。它把神经科学、解剖学和力学优雅地结合在了一起。”

本文选自《环球科学》5月刊“前沿”栏目。

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