动物们的走路姿势千奇百怪，鸡算是其中比较有喜感的：每迈一步，脖子就一伸一缩；但与此同时，鸡头又十分稳定。为此有人特意把鸡抓起来，上下左右晃动它们的身体，发现不管鸡的身体怎么动，鸡头的位置都毫无变化，就像是固定在半空中一样。为什么鸡走路时，头可以不动？又颠又稳的鸡头早在1930年，美国约翰斯·霍普金斯大学的生物学家邓拉普（Knight Dunlap）和莫瑞尔（O. H. Mowrer）做过一项鸽子头的研究——鸽子的走路姿势几乎和鸡一模一样。鸡属于鸟纲鸡形目雉科，和鸽子同属鸟类他们将一群鸽子关起来，并用每秒32张照片的相机拍摄，观察鸽子的行走状态，结果发现，鸽子不是在走路的同时脑袋前后伸缩或左右晃动，而是先伸出脑袋，静止在那里，等待着身体和脚跟上。和鸽子一样，鸡在走路时也是这种状态。只是其“伸脑袋-身体和脚跟上”的动作做得丝滑又连贯，导致人们以为鸡是边走边点头，实际上鸡的头没怎么动过。上图鸽子伸头，下图头的位置没动，身体往前移动除了鸡和鸽子，许多鸟类行走时都是如此。在水平方向看，它们的头几乎永远是同一高度。那为什么“鸡们”要这么走路，走路的时候只动腿不行吗？还真不行。一个主要原因是，鸟类的颈椎很长。鸟类的脖子虽然看起来体量不大，但相比于它们的躯体来说，并不算小。鸟类的颈椎有13~25块骨头，比如家鸽颈椎有14块骨头，家鸡的颈椎有16~17块骨头，就连看起来胖得没脖子的企鹅（是的，企鹅也是鸟类），其颈椎也很长，一直延伸到双翼的位置。作为对比，人类、长颈鹿的颈椎都是7节骨头。图源：《鸟类图鉴》与此同时，鸟类的颈椎极其灵活。这有赖于其颈椎的特殊结构，和鸟类头骨相连的第一颈椎叫寰椎，第二颈椎叫枢椎，呈环状的环枢关节使鸟类头部的活动范围大大提高，一般鸟类头部可转动180度，猫头鹰的头甚至可以转270度。又长又灵活的颈椎，导致鸟类走路时脑袋和身体难以保持一致，总是先脑袋往前送，身子再跟过去。鸟类如此走路的第二个原因是，它们的视觉有限。大部分鸟类的听觉和嗅觉不发达，基本靠眼睛感知外界。但鸟类的眼睛也不是很好使，大多数鸟类的眼球外部都有一层坚硬的骨质结构巩膜环，这会限制眼球的自由转动，加之部分鸟类的眼睛并非球形，所以鸟类想靠转动眼球来看清事物、拓展视野范围比较困难。另外，部分鸟类的眼睛长在头部两侧，这一位置分布有时会影响鸟类看正前方的事物。所以，眼睛转不动的鸟，只能通过动脖子，从而转动头部，来看清事物了。比如猫头鹰的眼球就类似于圆柱体，完全无法转动，但脖子能旋转270度，就可以靠转脖子来扩大视野范围。那为什么走路一颠一颠的鸡，晃动身体时，头却这么稳呢？根据1975年弗莱得曼（Mark B.Friedman）教授在《自然》杂志上发表的论文，鸟类头部的稳定性源自视觉控制。研究者先后用鸽子做了三组实验，实验器材是一个极轻的箱子（或者说笼子），箱子四周和底部有明显的图案，上方放置着一个摄像机。第一组实验，验证鸽子点头是否和前庭有关：将鸽子放在四面封闭的箱子中，推着箱子模仿鸽子平时走路的速度前进，结果鸽子的身体和脑袋都不动。第二组实验，验证鸽子点头是否和身体运动有关：将鸽子放在封闭箱子中，并将箱子底部掏了一个洞，洞下方放了一个滑板，鸽子站在滑板上走，结果鸽子脑袋不动。第三组实验，验证鸽子点头是否和眼睛看到的事物变化有关：将鸽子放在箱子中，研究者旋转箱子，或前后移动箱子（位移达到20cm），鸽子不走动，结果鸽子的脑袋都动了。图源：参考资料[7]由此研究者推断出，鸽子是否会动脑袋，和它的身体是否动无关，而与眼睛看到的东西有关。而我们抱着鸡晃动类似于第二组实验，鸡的身体在晃，但鸡头不会动。防抖的鸡头当然，鸡头也并非绝对不动。慢速镜头下看鸡头，会发现鸡头其实也会动，只是动的幅度很小，且鸡很快就把头的位置调整回去了。比如平稳行走中的鸽子，头部的位移能控制在0.5毫米以内，而一些特别依赖空间判断的鸟类，防抖性能会更好。鸟类之所以能做到这一点，是因为它们对空间变化的感知度很高，即使头部发生微小的位移，鸟们也能够通过视野中物体相对位置的变化迅速感知出来，并做出相应调整。以鸡为例，当鸡移动时，眼睛的神经末梢会立刻感应到视野的变化，并将变化迅速传递给大脑，大脑会根据这个变化，计算出平衡所需的运动补偿量，接着依照运动补偿量来控制脖子，让脖子进行合适的运动，从而达到保持头部平衡，进而达到保持视野平衡的目的。有人尝试将相机绑在鸡的脑袋上，对“摄像鸡”的稳定性进行了评测。可以看出，鸡头多少还是在晃的，但比起人手持和头戴摄像机，鸡头拍下的画面确实更稳定。不过鸡是一个活物，我们总不能抱着一只鸡到处拍，更无法精准控制鸡往哪边看，这样的“摄像鸡”再稳，实用性也不高。从左至右，依次是在人的头上、在鸡的头上、在手上所以，相比于直接在鸡头上绑摄像机，从其中发掘出能提升防抖性能的方法更靠谱一些。如今摄像机用的云台和手机中的光学防抖功能，就是以“鸡头稳定器”为灵感研发出来的。比如光学防抖功能，镜头内的陀螺仪感应到微小移动，然后将信号传至微处理器并计算需要补偿的位移量，再由音圈马达推动镜头执行防抖，从而有效克服相机的振动导致的影像模糊。再比如摄像机的防抖云台，通过陀螺仪、加速度计等传感器来检测物体在上下、左右、前后三个轴向上的角度和运动变化，处理器得到反馈后进行运动分解计算，为了保证物体的空间坐标不发生变化，三个关节部位的伺服电机会向着物体移动的反方向进行运转，从而进行精确的运动纠正，让拍摄更稳定。总结起来就是，检测出抖动的轨迹，然后相关部件反向运动“对冲”这个抖动轨迹，使镜头最终维持平稳。除云台和光学防抖之外，受到鸟类运动特征的启发，人们进行的发明创造还有不少。比如2015年时，斯坦福大学的工程师们还用高速摄影机记录下了天鹅飞过湖面时头颈部的动作，发现天鹅们在扑动双翼时，虽然身体上下摇摆，但在颈部的调整之下，头部依旧能保持相当平稳的状态。由此，他们在电脑上建立数学模型进行模拟，并把成果运用到了无人侦察机上，使其拍摄画面更稳定清晰。谷歌旗下的 Verily 生命科学公司设计的一款智能防抖勺，也运用了类似的原理。该勺子内部安装了微型计算机和传感器，可以实时感知颤抖的方向和力度，并通过电机的反向运动，一定程度上抵消震颤带来的位移，让勺子基本保持平衡，便于帕金森患者就餐。图源：淘宝截图日常生活中再看到小动物，也留意观察观察，说不定下一个发明，就“藏”在它们身上呢。参考资料：[1]王挺, 钟琦. 科学平行：读懂你身边的世界.[2]陈晓丹编著：《动物世界4》.[3赵欣如，赵碧清. 鸟类图鉴. 青岛出版社.[4]Barrie J. Frostemai. Bird head stabilization. Current Biology, Volume 19, Issue 8, pR315–R316, 28 April 2009. [5]Ashley E. Pete, Daniel Kress, Marina A. Dimitrov, et al. The role of passive avian head stabilization in flapping flight. Interface, September 2015 Volume: 12 Issue: 110.[6]Iwaniuk, A.N., and Wylie, D.R. (2007). Neural specialization for hovering in hummingbirds: Hypertrophy of the pretectal nucleus lentiformis mesencephali. J. Comp. Neurol. 500, 211.[7]FRIEDMAN, & Mark, B. . (1975). Visual control of head movements during avian locomotion. Nature, 255(5503), 67-69.[8]科普中国：为什么鸡走路时一抖一抖，脑袋一突一突？白吃了这么多年鸡…[9]博物：扭动一只鸡时，为啥它的头总不动？ 作者：敏敏 编辑：陈燕妮值班编辑：敏敏 点击进入「哎呀我兔商店」▼▼推荐阅读