本文最初由內部科學新聞社發表。
（ISNS）– 拍打翅膀、翩翩起舞的蝴蝶長期以來一直激勵著詩人、歌手甚至拳擊手。現在，它們的運動正在激勵研究人員瞭解有翅昆蟲如何從一個地方移動到另一個地方。
“正如‘像蝴蝶一樣飄浮’這句話所顯示的那樣，蝴蝶優雅地飛舞，”該研究的作者、日本京都大學航空航天助理教授橫山直人說。“我們想從流體動力學的角度瞭解它們是如何飛行的。”
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將有助於確保有關塑造當今世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
橫山和他的同事建立了蝴蝶向前飛行的數值模擬。他們將一隻栗虎蝴蝶建模為四個剛體：位於頭部和腹部之間的足球形胸部、腹部以及左右薄而平的翅膀。
研究人員對這隻數學蝴蝶進行了三種不同的模擬，發現昆蟲利用每次拍打翅膀時在空氣中產生的小漩渦的力量來產生升力。他們注意到蝴蝶在空氣中移動時飛行顛簸，在向前推進時有很多起伏。
圍繞蝴蝶的微小氣流中存在一些令人驚訝的地方。“蝴蝶周圍的氣流比預期的要湍急得多，”橫山說。
研究人員推測，空氣的微小顛簸導致了蝴蝶標誌性的翩翩起舞，也可能有助於保護它們免受捕食者的侵害——它們躲避和迂迴得越多，就越難抓住它們。該研究於今年早些時候發表在《流體物理學》雜誌上。
北卡羅來納大學教堂山分校的生物學家泰·亨德里克表示，這項研究與現實世界中觀察到的情況相符。“蝴蝶看起來比大多數其他昆蟲更不穩定，其他現有證據表明，它們不穩定的飛行路徑正如作者所指出的那樣，是一種反捕食機制，”他說。“已知有毒或令人厭惡的蝴蝶比可食用的品種具有更流暢或更慢的飛行路徑。”
亨德里克說，這項新研究很好地將最先進的計算流體動力學與 17 世紀牛頓力學結合起來，用於撲翼動物。“模擬中主要缺失的組成部分是蝴蝶翅膀形狀的變化。眾所周知，這可以提高飛行效率，也可能有助於穩定向前飛行的蝴蝶，”他說。
攝像機有助於揭開飛行之謎
模擬很有幫助，但在理解昆蟲飛行時，直接觀察也很有幫助。約翰·霍普金斯大學的本科研究員蒂拉斯·林正在進行一項類似於橫山的專案，以更好地利用撲翼飛行的力量。
林說，昆蟲飛行的奧秘——君主蝶如何在小於其體型的距離內完成 90 度轉彎，或者果蠅如何輕鬆地倒掛在天花板上——困擾了研究人員幾十年。
林一直在使用高速影片，以及解剖，來觀察蝴蝶輕質翅膀的運動。透過解剖，研究人員估計了昆蟲身體各個部分的質量——包括頭部、身體和翅膀。
在實驗中，研究人員將美人鳳蝶放在一個玻璃水族箱中，水族箱被多個明亮的燈強烈照射。三臺帶有近焦鏡頭的 高速攝像機捕捉到了蝴蝶飛行動作的影片。研究人員以每秒 3000 幀的速度進行錄製，因為蝴蝶大約每秒拍打翅膀 20 次。
“這些資料使我們能夠以數學方式記錄蝴蝶的翅膀和身體的運動，”林說。到目前為止，他說翅膀似乎在撲翼飛行的物理學中起著重要作用。
“像花樣滑冰運動員和跳水運動員這樣的運動員會移動他們的手臂和腿，以改變其質量的空間分佈；這會影響他們的機動性，特別是他們身體的旋轉，”林說。“透過我們的研究，我們認為昆蟲可能能夠利用其翅膀和身體做類似的事情。”
林和其他研究人員正在研究蝴蝶飛行如何幫助設計下一代微型飛行器，以執行偵察任務或監測環境。
“微型飛行器目前缺乏的一個領域是機動性，由於現代設計的小尺寸，可以從蝴蝶等昆蟲的飛行動態中學到很多東西，”林說。