蟋蟀蛙原產於維吉尼亞州和北卡羅來納州，它們在水面上滑行的能力令人難以置信，挑戰了我們對物理學和動物行為的認知。最新研究發現，看似水上舞蹈的動作其實是一系列快速下沉跳躍。 這項令人驚訝的洞察力推動了我們對動物運動的理解，並對開發先進的機器人和受大自然設計啟發的水陸兩棲無人機具有潛在的意義。

研究生研究員塔莉婭-魏斯在觀察一隻蟋蟀蛙。 圖片來源：傑克-索查

青蛙可以在水上行走嗎？

一些青蛙物種以其看似不可能的能力吸引了科學家和自然愛好者的目光，它們可以在水面上跳躍，就像無視地心引力一樣。 在這些非凡的青蛙中，有一種原產於維吉尼亞州和北卡羅來納州的蟋蟀蛙。 它在水面上的動作不僅引人入勝，而且還可能為未來機器人、水上船隻設計和其他技術的創新提供啟示。

機械工程系塞繆爾-赫里克教授傑克-索查（Jake Socha）領導著一個研究小組，對板球蛙的獨特技能”滑行”進行研究。這個術語指的是青蛙在水面上進行多次快速跳躍的能力。他們的研究結果詳見《實驗生物學期刊》（Journal of Experimental Biology），研究生研究員塔利亞-韋斯（Talia Weiss）是這項研究的第一作者。

「1949年，一位博物學家用『Skittering』來描述青蛙『在水面上跳躍』的行為，從那時起，這種行為就被用於所有後續文獻中，」魏斯說。 “這項研究不僅要研究蟋蟀蛙的這種行為，還要嘗試給’滑行’一個更準確、更科學的定義。”

它們是如何做到的？ 索查的研究小組成員在研究中發現，流行觀點普遍認為青蛙過水時不會下沉，但要做到這一點可能仍需要高度專業化的解剖結構。 這種青蛙有什麼是其他青蛙沒有的？

索查說：”我們的實驗室研究了一系列動物，許多動物都表現出了在環境中穿梭的迷人行為。不起眼的蟋蟀蛙就生活在附近，但它的能力仍然讓我們感到驚訝，這進一步激發了我們了解生物世界的好奇心。

蟋蟀蛙是北美洲最小的青蛙之一，可以輕鬆地坐在普通成年人手掌的拇指上。 為了觀察蟋蟀蛙的動態，研究團隊成員使用了高速攝影技巧。 他們記錄了青蛙在陸地和水中跳躍的過程，並觀察它們在這兩種情況下的腿部運動。

研究團隊發現，青蛙每次跳躍都會下沉。 雖然”滑行”給人的印像是青蛙自由自在地跳躍，但只有它們的腳能穿透水面，而錄音卻顯示了不同的畫面。 索查、韋斯和他們的隊友看到，每次青蛙從跳躍中下來時，整個身體都會浸入水中。 這種動作不像青蛙在水面上自由地跳躍和舞蹈，而更像是”撲通”和”跳躍”。 它們的動作被稱為”porpoising”可能更恰當，因為江豚或海豚就是用這種動作從水面下躍入空中的。

蟋蟀蛙以前之所以在水面上跳舞，主要是因為它們的運動速度很快。

為了記錄這種超快的運動，研究團隊使用了一個20 加侖的玻璃缸，並將青蛙放進其中。 高速攝影機以每秒500 張的速度對準玻璃缸的側面，捕捉水面上下的動作。 當青蛙躍起時，攝製組捕捉到它們逃跑的畫面。

然後將鏡頭放慢到原來速度的一小部分。 觀看錄影後，小組成員得出了驚人的結論： 青蛙確實沉了下去。

索查說：「我們很容易被動物的快速動作所迷惑，這太令人著迷了。在這裡，我們被一隻青蛙騙了，它看起來像一塊跳動的石頭，但實際上是在連續多次跳躍和灌水。

透過慢動作觀察，小組成員可以觀察到青蛙伸縮四肢時的動作。 他們也注意到，青蛙身體與水線的角度也是影響其在水中保持平衡的因素。 他們將每個跳躍週期細分為：

從水下位置起飛

空中，或跳水後在空中的時間

再入水，回到水中

恢復，為下一跳復位

在一秒鐘多一點的時間裡，青蛙就會在完全沉入水下的情況下起飛，伸出雙腳在水下用力推動身體浮出水面。 在空中移動時，它的後腿保持伸展，前腿從壓住身體移動到向前伸展。 再入水時，伸展的前腿先落水，後腿在下沉時仍伸展。 下沉時，後腿縮回並彎曲成跳躍姿勢。 再跳一次，重複這一動作。

這基本上是一種腹部翻轉。

研究小組觀察到青蛙一連做了多達八個跳躍動作，每個動作都在一秒鐘內完成。

了解滑行是生物學領域的重要發現，但它也蘊含著其他關鍵因素。 這項發現為未來的生物啟發機器人技術提供了新的物理基礎。 它可以應用於需要快速部署的水質檢測系統，或測量水深的兩棲無人機。 這些未來設備可以從大自然中汲取靈感，使用青蛙幾個世紀以來一直在使用的、久經考驗的方法。

編譯自/ ScitechDaily