像蒼蠅一樣飛

初學工程師們流傳下來的老生常談之一是，他們可以應用飛行定律來證明大黃蜂不可能飛行。他們說，蜜蜂的體型和重量對於它們微弱的翅膀來說，根本無法將它們抬離地面。然而，不起眼的蜜蜂和其他卑微的昆蟲確實會飛上天空，在那裡它們還會完成許多看似不可能的特技飛行。任何嘗試用蒼蠅拍拍打嗡嗡作響的家蠅的人都知道，它們可以在眨眼之間懸停、翱翔、俯衝和轉彎——甚至可以倒著陸。

顯然，工程師們遺漏了一些東西——但究竟是什麼？生物學家分析了控制飛行的昆蟲複雜的肌肉；生物力學研究人員拴住微小的蒼蠅並試圖測量它們產生的力；其他人用閃光燈拍攝它們拍打的翅膀。然而，昆蟲飛行的確切空氣動力學機制仍然困擾著研究人員。

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現在，由加州大學伯克利分校綜合生物學助理教授邁克爾·狄金森領導的一組研究人員可能已經破解了這個謎團。“如果你將固定翼飛機的理論應用於昆蟲，你會計算出它們無法飛行，”狄金森說。“你必須使用不同的東西。”

為了發現這種不同的東西，該團隊製造了一對與微小的果蠅黑腹果蠅的翅膀相匹配的放大翅膀。這些被命名為“機器人蒼蠅”的龐大翅膀，由有機玻璃切割而成，長25釐米。機器人蒼蠅不是在空氣中拍打，因為空氣太稀薄而無法模擬蒼蠅微小的1毫米翅膀上的大氣力，而是在一罐粘稠的礦物油中拍打。

六個電機——每個翅膀三個——來回上下移動翅膀並旋轉它們，再現果蠅翅膀的確切運動。底部的感測器測量翅膀上的力。“該裝置為我們提供了翅膀上的瞬時力——也就是說，前翅在整個衝程中的工作量，”狄金森說。“我們可以讓它以我們想要的任何方式飛行，並測量產生的力。”

使用機器人蒼蠅的實驗確定了昆蟲用來獲得對抗重力所需的升力的三種不同且相互作用的技術。研究人員證實，大約五年前發現的稱為延遲失速的力，在機翼衝程的上下部分產生升力。但他們也發現了在每個半衝程結束時出現的兩種先前未知的力，當機翼方向反轉時——他們將這些力描述為“旋轉環流”和“尾流捕獲”。

延遲失速似乎是主要的提升機制。當昆蟲以高攻角向前掃動翅膀時就會發生這種情況，以比典型飛機機翼更陡峭的角度穿過空氣。固定翼飛機在如此高的角度下會失速——或失去升力——從而增加阻力，並可能導致災難性的結局。但是昆蟲以一種產生稱為“前緣渦流”的氣流的方式移動翅膀，該氣流在翅膀的頂面形成併產生升力。

狄金森的研究結果還為昆蟲飛行帶來了新的視角：稱為旋轉環流的現象。當昆蟲的翅膀接近衝程結束時，它會向後旋轉，產生後旋，從而提升昆蟲，就像它應用於網球或棒球時一樣。

此外，被稱為尾流捕獲的動作允許昆蟲利用通常會損失的能量。當翅膀在空氣中移動時，它會在身後留下拖尾的漩渦或渦流。如果昆蟲在開始回程衝程之前旋轉其翅膀，則翅膀會在其自身追趕的尾流上浮起，就像一艘船在關閉發動機後會在後浪上浮起一樣。“這是捕捉損失能量的好方法，”狄金森說。“即使在機翼停止後，昆蟲也可以從尾流中獲得升力。”

所有這些機制與通常理解空氣動力學的方式幾乎沒有共同之處——即空氣在機翼彎曲的上表面上的流動速度更快，產生真空，使來自下方的氣壓將機翼向上推。事實上，機翼曲率似乎在昆蟲飛行中幾乎不起作用；狄金森指出，機翼出奇地堅硬和平坦。

“飛機的穩態空氣動力學在很大程度上對鳥類有效，但昆蟲一直是個問題，”狄金森說。“如果你把鳥的翅膀看作是飛機的翅膀，並在任何給定的時間計算速度和升力，然後在整個衝程中將它們加起來，它就能很好地解釋鳥是如何保持在空中的。對於昆蟲飛行，它慘敗了。”

然而，昆蟲是地球上第一個飛上天空的生物。由於它們的體型很小——平均只有四到五毫米長——它們進化出了與鳥類截然不同的飛行方式。“如果你有昆蟲那麼大，你就不能像鳥一樣飛行，”狄金森觀察到。

據狄金森說，不同的昆蟲在不同程度上使用這些機制。例如，周圍最會雜技的昆蟲，食蚜蠅，似乎很少使用延遲失速，但會大量使用旋轉環流和尾流捕獲。另一方面，蝴蝶主要依靠翅膀的上下拍打運動和經典的空氣動力學進行滑翔。

該研究小組在6月18日出版的《科學》雜誌上報告了他們的發現，他們認為他們的工作提供了“昆蟲飛行空氣動力學的統一理論，”狄金森說。下一步是什麼？使用他們原始的機器人蒼蠅中的技術和他們發現的原理來製造帶有拍打翅膀的微型飛行器。狄金森已經是伯克利大學的一組工程師和科學家中的一員，他們正在設計這樣的機器人昆蟲。

所以，下次有東西在你的耳邊嗡嗡作響時，請仔細觀察——它可能是一隻機器人蒼蠅。