揭開昆蟲飛行的秘密

　　盡管昆蟲和其親屬占所有動物物種（迄今為止，我們已知的動物共有90多萬種）的80%左右，但昆蟲飛行的力學(xué)原理一直是個未解之謎。傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)主要依靠機(jī)翼上穩(wěn)定的氣流來飛行。直升機(jī)和旋翼機(jī)也是如此。但因為昆蟲的翅膀會不斷地前后拍打，所以它們周圍的空氣也在持續(xù)發(fā)生變化。而且，蜜蜂和其他昆蟲短而粗的翅膀能夠提升的重量之大，用傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的空氣動力學(xué)原理根本不足以解釋。

　　在科學(xué)家們能理解拍翼飛行之前，他們首先必須能看見其最幽微的細(xì)枝末節(jié)。在上世紀(jì)70年代，英國劍橋大學(xué)的丹麥籍動物學(xué)家托克爾·韋斯-福用高速攝影術(shù)對正在不斷盤旋的昆蟲翅膀的精確運動進(jìn)行了分析并同昆蟲的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行比較。借此，他推導(dǎo)出了一個通用的昆蟲飛行理論，其中包括他稱為“拍撲效應(yīng)”的原理。這種原理指出，昆蟲在初始時刻將翅膀重疊在一起，隨后再突然將翅膀分開，這種運動會把空氣帶走并且制造出一種低壓的“小口袋”。接著，空氣又會再次殺入“小口袋”中，形成一個不斷旋轉(zhuǎn)的渦旋。這種渦旋制造出的力對在昆蟲的翅膀拍動期間將昆蟲提升起來必不可少。韋斯-福指出，同樣的漩渦或許可以由翅膀的角度和旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生，從而產(chǎn)生額外的提升力。

圖：無人機(jī)。

　　20年后，計算機(jī)技術(shù)也對這一理論產(chǎn)生了興趣；科學(xué)家們也開始將這些原理應(yīng)用到人造系統(tǒng)上。英國劍橋大學(xué)的查爾斯·艾靈頓曾經(jīng)是韋斯-福的學(xué)生，他建造出了一雙機(jī)械翅膀，其能夠精確地模擬鷹蛾的運動。鷹蛾是世界上飛行速度最快的昆蟲，大約每小時可飛行53千米。艾靈頓將研制出的機(jī)械翅膀置于一個充滿了煙霧的風(fēng)洞（風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動，并可量度氣流對物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動力實驗最常用、最有效的工具）中，如此一來，當(dāng)昆蟲拍動翅膀時，他就能分析其運動的流體動力學(xué)原理。

　　另外，美國加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)生物學(xué)家邁克爾·迪金森則建造了一對機(jī)器果蠅的翅膀，其能模擬一只果蠅的一舉一動。他將該機(jī)器果蠅翅膀浸入2噸的礦物油中。借用這兩組機(jī)械翅膀，這兩名科學(xué)家分別總結(jié)出了各自研究的昆蟲飛行的空氣動力學(xué)原理。

　　1998年，迪金森和電子工程師羅恩·費林獲得了美國國防部預(yù)研局（DARPA）提供的250萬美元獎金，以應(yīng)用這些原理來研制一臺昆蟲大小的機(jī)器人。他們找了一位名叫洛博·伍德的研究生和他們一起工作，伍德的主要任務(wù)是幫助他們研發(fā)技術(shù)來制造出細(xì)小的零件并將其組裝成一對鑷子，這些工作繁瑣且耗時。伍德說：“昆蟲翅膀的飛行軌跡真的非常復(fù)雜。”2004年，伍德從哈佛大學(xué)畢業(yè)并擁有了自己的實驗室，此時，他已經(jīng)找到了非常有效的方法，可以使用極其高效且奇異的材料來復(fù)制昆蟲翅膀的運動。他建造了一個陀螺儀，能模擬昆蟲用來探測身體旋轉(zhuǎn)的傳感器；而且，他也研究出了方法，可以在微尺度上制造復(fù)雜的系統(tǒng)。