鸟类是动物界仅有的两种永久性双足动物之一，另一种是人类。它们拥有非凡的平衡感。那么，这些恐龙的直接后裔在睡觉时如何保持稳定呢？科学家们最近成功破解了这一谜团。

这听起来像一个奇异的故事，但实际上，这正是法国国家自然历史博物馆（MNHN）和法国国家科学研究中心（CNRS）的一组科学家最近在《皇家学会界面期刊》上发表的研究所叙述的内容。他们解释了鸟类如何能够在站立时入睡而不失去平衡。众所周知，马和牛能够依靠四条腿完成类似的壮举，但对于鸟类来说，这并不那么显而易见。科学家们一致认为，这种稳定性源于一个词：张力完整性（tensegrity）。该词是“张力”（tension）和“完整性”（integrity）的组合，指的是一种结构依靠其内部张力和压缩的微妙平衡来保持稳定。

“这项研究的起点是通过功能形态学来理解进化机制，功能形态学研究的是生物体的形态与其功能之间的关系，”进化生物学专家、国家自然历史博物馆适应机制与进化研究部门副主任Anick Abourachid指出。“我们尤其对鸟类的脚感兴趣。”研究鸟类脚部的进化机制尤为重要，因为鸟类在结构上是一个相当同质的群体：“它们全都是双足飞行的恐龙，自这个群体起源以来，它们的结构就被设计为具有空气动力学特性。它们都拥有一个刚性的躯干，用于起飞和着陆，还有翅膀。”

通过X光观察到的坐在花茎上的鹪鹩姿态（添加了伪色），显示出“蹲伏”姿势。这种高度保守的结构设计在所有环境中的鸟类身上都得到了验证。这种多样性一直吸引和启发着我。正是在与我的同事Philippe Wenger和Christine Chevallereau讨论时，我了解到张力完整性（tensegrity）的存在，这是一个完全依赖于张力维持的机械系统。”值得注意的是，鸟类的脚部结构与人类的腿部有相似之处。“鸟类是屈曲双足动物，这意味着当它们站立时，整个身体是弯曲的。对于人类来说，这相当于脚尖蹲伏的姿势。”这种姿势乍一看似乎并不舒适，但鸟类在这种姿势下放松，甚至可以在站立时入睡。简而言之，它们处于休息状态，从而消耗更少的能量。为了理解鸟类如何实现这种平衡，科学家们基于一种小型鸟类——斑胸草雀（Taeniopygia guttata）的解剖结构，构建了一个数字模型，这种鸟类属于雀形目。“通过极大地简化身体系统，仅保留与站立姿势相关的部分，我们识别出了姿势稳定性的来源，”Abourachid透露。在这个模型中，身体和足部的骨骼被替换为杆状结构，而肌肉和肌腱则被替换为不同刚性的缆线。足部各骨骼之间的关节被替换为滑轮。我们开始的实验是使用一根从'鸟'的骨盆延伸到脚部的缆线，穿过所有的关节（髋关节、膝关节、脚踝），因此也穿过所有的滑轮。这使研究人员能够再现鸟类的典型站立姿势，尽管他们的模型并不稳定，这令人惊讶，因为我们经常看到鸟类站在电线上或树枝上从未摔倒过。“我们的鸟类模型只能在空间中的一个点保持平衡，而鸟类可以在多个位置自然保持平衡。因此，我们通过使用多条缆线（而不仅仅是一条），尤其是在膝盖后方增加了一条缆线，来改善其稳定性。”![模型的图示显示了鸟类保持平衡所需缆线的确切位置][]模型的图示显示了鸟类保持平衡所需缆线的确切位置。图示左侧为鸟类的解剖学观察，右侧为模型。膝盖后的韧带环至关重要，用于保持缆线的对齐。鸟类确实拥有一条经过膝盖后方的肌腱，并通过一个韧带环保持其对齐，这是独特的解剖特征。当模型中增加了四条缆线，其中一条位于膝盖后方，系统变得稳定，类似于一个不倒翁，即便受到轻微扰动也能自行恢复平衡。

刚性与反应性科学家们还意识到，缆线的质量——也就是鸟类脚部肌腱的质量——起到了决定性作用。“鸟类是少数拥有几乎骨化的钙化肌腱的动物之一，”南特数字科学实验室（LS2N）的高级研究员Christine Chevallereau解释道。“在我们的模型中，我们意识到这一特性必须被考虑在内，以实现稳定的平衡。鸟类需要这些硬化的肌腱，因为当它们站立时，它们必须抵消重力的影响，以免从树枝上倾斜。尽管这种低弹性看似对稳定性没有帮助，但实际上并非如此，因为它减少了鸟类受到的扰动效果。这也使系统的反应速度更快，因为它在恢复平衡位置之前不会有过多的变形。”无论是雪天、雨天还是风天，这种张力完整性系统都能让鸟类继续安心入睡，而无需担心从栖木上摔下。“鸟类从其脚部张力完整性中获得的优势在于其被动性。这意味着鸟类不需要思考或集中注意力来保持站立。整个系统依赖于弹性，这是某种‘具身智能’，即身体本身解决了问题，而无需大脑介入，因而也无需消耗能量，”Chevallereau补充道。艺术家Kenneth Snelson基于张力完整性原理创作的铝和不锈钢针塔：

左图为1968年在华盛顿特区赫希霍恩博物馆花园建造的作品俯视图；右图为1969年在荷兰克勒勒-米勒博物馆花园组装的针塔II。这种被动机制的存在令人惊讶，但它为高影响力的应用铺平了道路。“我们应该记住，这些机制在土木工程中被广泛应用，因为它们可以减轻结构的重量。通过这一发现，我们的目标是在机器人技术中应用类似的机制，以减轻运动中的质量，减少能量消耗，减少建筑材料的使用，并在与操作员发生碰撞时降低危险性，”南特数字科学实验室高级研究员Philippe Wenger指出。工程师们已经设想出了配备张力完整性系统的双足机器人，这些机器人可以在不稳定的表面上长时间保持站立姿势，并且几乎不消耗任何能量。