像苍蝇一样飞

初学工程师们流传下来的老生常谈之一是，他们可以应用飞行定律来证明大黄蜂不可能飞行。他们说，蜜蜂的体型和重量对于它们微弱的翅膀来说，根本无法将它们抬离地面。然而，不起眼的蜜蜂和其他卑微的昆虫确实会飞上天空，在那里它们还会完成许多看似不可能的特技飞行。任何尝试用苍蝇拍拍打嗡嗡作响的家蝇的人都知道，它们可以在眨眼之间悬停、翱翔、俯冲和转弯——甚至可以倒着陆。

显然，工程师们遗漏了一些东西——但究竟是什么？生物学家分析了控制飞行的昆虫复杂的肌肉；生物力学研究人员拴住微小的苍蝇并试图测量它们产生的力；其他人用闪光灯拍摄它们拍打的翅膀。然而，昆虫飞行的确切空气动力学机制仍然困扰着研究人员。

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现在，由加州大学伯克利分校综合生物学助理教授迈克尔·狄金森领导的一组研究人员可能已经破解了这个谜团。“如果你将固定翼飞机的理论应用于昆虫，你会计算出它们无法飞行，”狄金森说。“你必须使用不同的东西。”

为了发现这种不同的东西，该团队制造了一对与微小的果蝇黑腹果蝇的翅膀相匹配的放大翅膀。这些被命名为“机器人苍蝇”的庞大翅膀，由有机玻璃切割而成，长25厘米。机器人苍蝇不是在空气中拍打，因为空气太稀薄而无法模拟苍蝇微小的1毫米翅膀上的大气力，而是在一罐粘稠的矿物油中拍打。

六个电机——每个翅膀三个——来回上下移动翅膀并旋转它们，再现果蝇翅膀的确切运动。底部的传感器测量翅膀上的力。“该设备为我们提供了翅膀上的瞬时力——也就是说，前翅在整个冲程中的工作量，”狄金森说。“我们可以让它以我们想要的任何方式飞行，并测量产生的力。”

使用机器人苍蝇的实验确定了昆虫用来获得对抗重力所需的升力的三种不同且相互作用的技术。研究人员证实，大约五年前发现的称为延迟失速的力，在机翼冲程的上下部分产生升力。但他们也发现了在每个半冲程结束时出现的两种先前未知的力，当机翼方向反转时——他们将这些力描述为“旋转环流”和“尾流捕获”。

延迟失速似乎是主要的提升机制。当昆虫以高攻角向前扫动翅膀时就会发生这种情况，以比典型飞机机翼更陡峭的角度穿过空气。固定翼飞机在如此高的角度下会失速——或失去升力——从而增加阻力，并可能导致灾难性的结局。但是昆虫以一种产生称为“前缘涡流”的气流的方式移动翅膀，该气流在翅膀的顶面形成并产生升力。

狄金森的研究结果还为昆虫飞行带来了新的视角：称为旋转环流的现象。当昆虫的翅膀接近冲程结束时，它会向后旋转，产生后旋，从而提升昆虫，就像它应用于网球或棒球时一样。

此外，被称为尾流捕获的动作允许昆虫利用通常会损失的能量。当翅膀在空气中移动时，它会在身后留下拖尾的漩涡或涡流。如果昆虫在开始回程冲程之前旋转其翅膀，则翅膀会在其自身追赶的尾流上浮起，就像一艘船在关闭发动机后会在后浪上浮起一样。“这是捕捉损失能量的好方法，”狄金森说。“即使在机翼停止后，昆虫也可以从尾流中获得升力。”

所有这些机制与通常理解空气动力学的方式几乎没有共同之处——即空气在机翼弯曲的上表面上的流动速度更快，产生真空，使来自下方的气压将机翼向上推。事实上，机翼曲率似乎在昆虫飞行中几乎不起作用；狄金森指出，机翼出奇地坚硬和平坦。

“飞机的稳态空气动力学在很大程度上对鸟类有效，但昆虫一直是个问题，”狄金森说。“如果你把鸟的翅膀看作是飞机的翅膀，并在任何给定的时间计算速度和升力，然后在整个冲程中将它们加起来，它就能很好地解释鸟是如何保持在空中的。对于昆虫飞行，它惨败了。”

然而，昆虫是地球上第一个飞上天空的生物。由于它们的体型很小——平均只有四到五毫米长——它们进化出了与鸟类截然不同的飞行方式。“如果你有昆虫那么大，你就不能像鸟一样飞行，”狄金森观察到。

据狄金森说，不同的昆虫在不同程度上使用这些机制。例如，周围最会杂技的昆虫，食蚜蝇，似乎很少使用延迟失速，但会大量使用旋转环流和尾流捕获。另一方面，蝴蝶主要依靠翅膀的上下拍打运动和经典的空气动力学进行滑翔。

该研究小组在6月18日出版的《科学》杂志上报告了他们的发现，他们认为他们的工作提供了“昆虫飞行空气动力学的统一理论，”狄金森说。下一步是什么？使用他们原始的机器人苍蝇中的技术和他们发现的原理来制造带有拍打翅膀的微型飞行器。狄金森已经是伯克利大学的一组工程师和科学家中的一员，他们正在设计这样的机器人昆虫。

所以，下次有东西在你的耳边嗡嗡作响时，请仔细观察——它可能是一只机器人苍蝇。