屎壳郎利用银河系导航搬运粪便，仿生传感芯片将启发无人机、卫星升级导航系统

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一种1.3亿年前进化的昆虫物种启发了一项新研究，旨在改进无人机、机器人和轨道卫星的导航系统。

蜣螂是已知的第一个在夜间利用银河系导航的物种，它以星座为参考点，将粪球沿直线滚动，远离竞争对手。

瑞典研究人员于2013年发现了这一现象，十年后，澳大利亚工程师模拟了蜣螂所使用的相同技术，开发出了一种人工智能传感器，可以在弱光条件下准确测量银河系的方向。

南澳大利亚大学遥感工程师Javaan Chahl教授和他的博士生团队利用计算机视觉证明，与单个恒星不同，形成银河系的大型光带不会受到运动模糊的影响。

“夜间活动的蜣螂在田野里滚动粪球时，头部和身体会剧烈摆动，它们需要在夜空中找到一个固定的方位点，帮助它们沿直线行进，”Chahl教授说。“它们的复眼很小，很难分辨单个星星，尤其是在运动时，而银河系却清晰可见。”

南澳大利亚大学的研究人员利用安装在车顶的摄像头进行了一系列实验，在车辆静止和移动时拍摄了银河系的图像。利用这些图像中的信息，他们开发了一种计算机视觉系统，可以可靠地测量银河系的方向，这是构建导航系统的第一步。

他们的研究成果发表在《仿生学》杂志上。

主要作者、南澳大学博士生陶逸婷（音）表示，方向传感器可以作为稳定卫星的备用方法，帮助无人机和机器人在弱光条件下导航，即使在因运动和振动而造成大量模糊的情况下也是如此。

“下一步，我想将算法放到无人机上，让它在夜间控制飞机的飞行。”陶说。

太阳帮助许多昆虫在白天导航，包括黄蜂、蜻蜓、蜜蜂和沙漠蚂蚁。在夜晚，月亮也为夜行昆虫提供了参考点，但它并不总是可见的，这就是为什么蜣螂和一些飞蛾使用银河系来定位。

Chahl教授表示，昆虫的视觉长期以来一直为导航系统的工程师们提供着启发。

“数百万年来，昆虫一直在解决导航问题，包括那些连最先进的机器都难以解决的问题。而且它们在很小的范围内就做到了。它们的大脑由数万个神经元组成，而人类的大脑则有数十亿个神经元，但它们仍然设法从自然界中找到解决方案。”

科学网 2013年报道：

蜣螂的“银河定位导航系统”

本报见习记者赵广立

来自瑞典和南非的科学家研究发现，屎壳郎会利用银河进行定位，滚着屎球儿沿直线前进。

2013搞笑诺贝尔奖，让俗称“屎壳郎”的蜣螂火了一把。

来自瑞典和南非的科学家研究发现，屎壳郎会利用银河进行定位，滚着屎球儿沿直线前进。藉此，“仰望星空”的蜣螂不仅成功入选2013搞笑诺奖的“生物—天文学奖”，蜣螂也成为了首个被证实是依靠银河而不是星星辨识方向的动物。

蜣螂真的装备有“银河定位导航系统”吗？

“清道夫”低调的浪漫

非洲大草原上，当雨季的大雨过后，大象们会贪婪地享用着新生的植物。可是它们的消化系统难以承受这突然增大的负荷，不少吞下去的食物又奉还到地面上，每天，大象们在平原上留下数百吨象粪。

大象后面跟随着蜣螂大军。成千上万只蜣螂从地下钻出来，巨蜣螂是蜣螂中体形最大的一种，大象粪便在它的食谱上占据重要位置。也正是由于它们的“劳动”使得土地肥沃起来，这是一个循环往复的过程，巨蜣螂在其中担负着重要的角色。

中国昆虫学会副理事长、中国科学院动物研究所鞘翅目形态与进化研究组组长杨星科在其公开发表的学术文章中指出，在自然环境中，多数野生哺乳动物，尤其是草食动物，比斑马、野驴、羚羊、犀牛、大象、非洲水牛等喜群居来保护种群。很多野生动物种群数量非常大，比如世界上最大的动物群东非羚羊，1个群里可超过1亿头，这些野生动物每日产出的粪便也是惊人的。粪便的大量堆积会造成粪下植物缺氧、少光而死亡，从而导致植物生长面积变小，这不仅影响草地生产力，还导致牲畜拒绝食用粪便周围的牧草而使草地资源浪费。而蜣螂等粪食性昆虫对粪便的分解作用，对于保持生态系统平衡具有重要意义。

杨星科指出，蜣螂对哺乳动物粪便的快速破碎化、营养物质转移起到关键作用。哺乳动物粪便经过蜣螂的消化系统后仅少量被吸收消化，大部分被蜣螂排泄到土壤中，这无疑增加了土壤的肥力。另外蜣螂在土壤中掘洞，也疏松了土壤。

正因为大多数蜣螂是粪食性，以动物粪便为食，所以蜣螂素有“自然界的清道夫”的美名。

然而，瑞典和南非的科学家发现，一生都在默默低头推粪的蜣螂，原来也有低调的浪漫，在夜晚的非洲草原上，屎壳郎夫妇会在银河星辉的指引下滚着粪球沿直线前进。

善借日月之光辉

沿直线滚粪球对于雄性蜣螂而言十分重要。无论是在非洲草原还是在欧亚大陆，雄性蜣螂在找到一个合适的牛粪堆后，会把一小块粪做成一个粪球，然后滚着粪球离开。雄蜣螂滚粪球的目的是为了吸引异性，雌蜣螂会在交配成功后把卵产在粪球上为将来孩子们储备食物。而沿直线前进可以保证它们不会返回原地——在那里遇到其他的雄性可能会把它们的粪球偷走，因为在蜣螂的同类中，也隐藏着一些懒汉和无赖，它们常常伺机在半路上去抢夺滚动着的粪球，把粪球和雌蜣螂占为已有。

此前的研究证实，这种黑色或黑褐色的大中型甲虫，能够利用太阳光和月光偏振现象进行定位，以帮助摄食和逃逸，且表现有夜间扑灯趋光的习性。

白天，蜣螂会测定太阳偏振光的对称图案从而为自己导向一条直线路径。我们人类看不到这种图案，但是昆虫的眼睛中拥有这种特殊的感光器。但是，在夜间蜣螂是如何利用视觉功能呢？比如，月光或更微弱的偏振光图案？

月光和太阳光一样，会因大气层中飘浮的微粒的作用而散射，并形成有一定角度的偏振光。借助对偏振光角度的测算，可以判断相关物体的位置。月光的强度仅有太阳光的百万分之一，大多数动物无法感知，但蜣螂却能借此进行定位。

科学家通过对野生蜣螂的跟踪观察发现，在有月光的夜晚，蜣螂爬向“粪源”的路线就是直线。他们又将偏振干扰器置于蜣螂的必经之路上，干扰器可以使月光偏转90度角，结果蜣螂爬行的方向也偏离90度。

南非金山大学（Wits University）教授马库斯·伯恩（Marcus Byrne）和他的研究团队也证实，蜣螂会使用太阳、月亮以及偏振光进行定向。

日月无光时开启“银河定位导航系统”

而在没有月亮的晴朗夜空，星星依然可以作为替补的视觉线索。目前人们已经知道，人、鸟类和海豹可以利用星星辨识方向。瑞典隆德大学（Lund University）的玛丽·达克（Marie Dacke）和她的研究团队发现，即使是晴朗、没有月亮的夜晚，蜣螂仍旧能分辨方向，沿直线前进，远离竞争激烈的牛粪堆。

“我们推测这些甲虫利用星空进行定向。就我们所知，以前这从未在昆虫身上被确认。”玛丽·达克在接受国外媒体采访时说。

然而，绝大多数星星对蜣螂的小复眼来说都太暗了。它们的复眼分布在头部前方两侧，与它们壮硕的身材相比，算不上发达。科学家们怀疑，蜣螂是否真的能够利用微弱的星光定位回家的路。

玛丽·达克和她的同事发现，在星空下蜣螂能够滚着粪球走出一条直线，但在阴天时就失去了这样的能力。达克的同事、瑞典隆德大学生物学教授埃瑞克·沃伦特（Eric Warrant）说：“在阴天时屎壳郎走不了直线，只能在原地漫无目的地兜圈圈。”

为了证明蜣螂能让自己适应银河在天空中所形成的明亮光带，并沿着相对于这条光带的某种直线路径移动，研究团队在农场里建起了一个小型的封闭式实验台，然后将蜣螂放入其中，观测这些昆虫究竟是如何对不同的天空状况作出反应的。

研究人员发现，在晴朗的夜间，即使没有月光，蜣螂也可以以直线路径滚动自己的粪球。研究团队又将实验台搬入约翰内斯堡天文馆。他们发现，只要有银河存在，蜣螂们就会沿着直线运动。最后，为了证明这种银河导航的结论，研究人员又在每一只蜣螂头顶粘上了一块小小的纸板，挡住它们看向天空的视线。结果是，这些蜣螂只会没目标地到处乱滚动。

而在接下来的模拟实验中，在完整的模拟星空下和在只显示一条银河时，这些甲虫都能够好好地走在直线上。

科学家们大胆地总结了实验结果：在没有月亮的晴夜里，蜣螂是依靠整个银河而非散落的星星进行定位。

研究团队成员、内布拉斯加林肯大学昆虫学家西恩·惠普尔表示，“惊人的实验结果有力地证明了蜣螂是靠星光导向的”。之后，该研究报告发表在《当代生物学》期刊上。

科学家们认为，这一结果预示着，其他夜行性昆虫也有可能用星空引导它们夜间的活动。“迁徙的蛾类可能也拥有这种技能。”

然而，如果夜空中同时有月光和银河出现时，在“银河定位导航系统”和“月光导航系统”之中，蜣螂们将作何选择？科学家们饶有兴趣地对此作了进一步的研究。研究者进行了一系列实验，观察蜣螂在单一光源和多种光源下的定位情况，并根据结果推测蜣螂对可用光源有一个可能的使用先后次序。

然而结果并不像预期那样。研究者沃伦特说：“每一只屎壳郎的偏好顺序看来是不同的，这意味着屎壳郎的这种能力并不是天生固定的。”

《中国科学报》 (2013-10-11 第11版真相)

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