本文最初由内部科学新闻社发表。
（ISNS）– 拍打翅膀、翩翩起舞的蝴蝶长期以来一直激励着诗人、歌手甚至拳击手。现在，它们的运动正在激励研究人员了解有翅昆虫如何从一个地方移动到另一个地方。
“正如‘像蝴蝶一样飘浮’这句话所显示的那样，蝴蝶优雅地飞舞，”该研究的作者、日本京都大学航空航天助理教授横山直人说。“我们想从流体动力学的角度了解它们是如何飞行的。”
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横山和他的同事创建了蝴蝶向前飞行的数值模拟。他们将一只栗虎蝴蝶建模为四个刚体：位于头部和腹部之间的足球形胸部、腹部以及左右薄而平的翅膀。
研究人员对这只数学蝴蝶进行了三种不同的模拟，发现昆虫利用每次拍打翅膀时在空气中产生的小漩涡的力量来产生升力。他们注意到蝴蝶在空气中移动时飞行颠簸，在向前推进时有很多起伏。
围绕蝴蝶的微小气流中存在一些令人惊讶的地方。“蝴蝶周围的气流比预期的要湍急得多，”横山说。
研究人员推测，空气的微小颠簸导致了蝴蝶标志性的翩翩起舞，也可能有助于保护它们免受捕食者的侵害——它们躲避和迂回得越多，就越难抓住它们。该研究于今年早些时候发表在《流体物理学》杂志上。
北卡罗来纳大学教堂山分校的生物学家泰·亨德里克表示，这项研究与现实世界中观察到的情况相符。“蝴蝶看起来比大多数其他昆虫更不稳定，其他现有证据表明，它们不稳定的飞行路径正如作者所指出的那样，是一种反捕食机制，”他说。“已知有毒或令人厌恶的蝴蝶比可食用的品种具有更流畅或更慢的飞行路径。”
亨德里克说，这项新研究很好地将最先进的计算流体动力学与 17 世纪牛顿力学结合起来，用于扑翼动物。“模拟中主要缺失的组成部分是蝴蝶翅膀形状的变化。众所周知，这可以提高飞行效率，也可能有助于稳定向前飞行的蝴蝶，”他说。
摄像机有助于揭开飞行之谜
模拟很有帮助，但在理解昆虫飞行时，直接观察也很有帮助。约翰·霍普金斯大学的本科研究员蒂拉斯·林正在进行一项类似于横山的项目，以更好地利用扑翼飞行的力量。
林说，昆虫飞行的奥秘——君主蝶如何在小于其体型的距离内完成 90 度转弯，或者果蝇如何轻松地倒挂在天花板上——困扰了研究人员几十年。
林一直在使用高速视频，以及解剖，来观察蝴蝶轻质翅膀的运动。通过解剖，研究人员估计了昆虫身体各个部分的质量——包括头部、身体和翅膀。
在实验中，研究人员将美人凤蝶放在一个玻璃水族箱中，水族箱被多个明亮的灯强烈照射。三台带有近焦镜头的 高速摄像机捕捉到了蝴蝶飞行动作的视频。研究人员以每秒 3000 帧的速度进行录制，因为蝴蝶大约每秒拍打翅膀 20 次。
“这些数据使我们能够以数学方式记录蝴蝶的翅膀和身体的运动，”林说。到目前为止，他说翅膀似乎在扑翼飞行的物理学中起着重要作用。
“像花样滑冰运动员和跳水运动员这样的运动员会移动他们的手臂和腿，以改变其质量的空间分布；这会影响他们的机动性，特别是他们身体的旋转，”林说。“通过我们的研究，我们认为昆虫可能能够利用其翅膀和身体做类似的事情。”
林和其他研究人员正在研究蝴蝶飞行如何帮助设计下一代微型飞行器，以执行侦察任务或监测环境。
“微型飞行器目前缺乏的一个领域是机动性，由于现代设计的小尺寸，可以从蝴蝶等昆虫的飞行动态中学到很多东西，”林说。