一項研究表明，大多數飛行或游泳的動物彎曲它們的翅膀或鰭時，都遵循相似的幾何比例和相似的角度。這個看似普遍的原理適用於從蛾子到鯊魚等各種生物，為研究人員設計在空氣或水中推進自身的裝置提供了啟示。這項研究今天發表在《自然通訊》雜誌上。
基於拍打翅膀的空氣動力學原理開發飛行器的努力，因缺乏關於鳥類如何實現穩定性和控制的資訊而受阻。因此，即使最早的人類飛行夢想，從伊卡洛斯的故事到萊昂納多·達·芬奇的設計，都試圖效仿鳥類，但從萊特兄弟開始的實用設計都集中在固定的翼型機翼上。可工作的拍翼裝置直到最近才被製造出來。
科學界對於動物翅膀的柔韌性（而不是像飛機機翼那樣的剛性）是否有助於或阻礙推力的產生，意見不一。羅德島州普羅維登斯學院的生物學家約翰·科斯特洛和他的同事認為，柔韌性可能是自然飛行的關鍵，因此他們決定研究真實動物翅膀的變形方式。
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羽毛和鰭
他們懷疑類似的彎曲效應也會在翅膀以及用於水中推進的鰭和尾鰭中顯現出來。事實上，他們最初的動機是他們為美國海軍研究辦公室開展的一個專案，旨在開發一種仿生“水母載具”。科斯特洛說，這項工作表明，“在一個原本相當剛性的彎曲表面上增加一個簡單的被動襟翼，可以使推進效能提高几個數量級”。
研究人員梳理了包括 YouTube 和 Vimeo 在內的影片網站，尋找從果蠅到蝙蝠，從軟體動物到座頭鯨等物種的影片片段。對於推進器形狀和結構的巨大多樣性——薄如蟬翼的膜、羽毛狀的翅膀、厚重而沉重的鯨魚尾巴——研究人員發現某些變數幾乎沒有變化，他們基本上是手工測量這些變數的。具體來說，在 59 個物種中，從彎曲開始的點到翼基的距離往往約為總翼長的三分之二；最大彎曲角度被限制在約 15° 到 38° 的範圍內。
因此，進化背景截然不同的動物都找到了解決共同問題的相同方案。“它們的進化受到決定流體相互作用的物理定律的支配，”科斯特洛說。“它們是否起源於爬行、行走或跳躍的祖先並不重要；一旦它們適應了流體，它們就會在一個由一套共同限制決定的系統中進化。”
牛津大學研究動物飛行的格雷厄姆·泰勒說，最令人驚訝的是，所有這些動物都趨同於看似普遍的定律，儘管它們的身體具有不同的解剖結構和生理結構，並且由不同的材料製成。“昆蟲相對脆弱的翅膀在飛行中的變形程度與虎鯨強大而肉質的尾鰭相同，”他補充道。
科斯特洛說，在這些發現能夠應用於航空工程之前，還需要更多地瞭解狹窄的彎曲運動範圍的好處。“也許到那時，這些動物在這些特徵中發現的優勢可以轉化為人類設計。”
本文經《自然》雜誌許可轉載。該文章於 2014 年 2 月 18 日首次發表。