一项研究表明，大多数飞行或游泳的动物弯曲它们的翅膀或鳍时，都遵循相似的几何比例和相似的角度。这个看似普遍的原理适用于从蛾子到鲨鱼等各种生物，为研究人员设计在空气或水中推进自身的设备提供了启示。这项研究今天发表在《自然通讯》杂志上。
基于拍打翅膀的空气动力学原理开发飞行器的努力，因缺乏关于鸟类如何实现稳定性和控制的信息而受阻。因此，即使最早的人类飞行梦想，从伊卡洛斯的故事到莱昂纳多·达·芬奇的设计，都试图效仿鸟类，但从莱特兄弟开始的实用设计都集中在固定的翼型机翼上。可工作的拍翼装置直到最近才被制造出来。
科学界对于动物翅膀的柔韧性（而不是像飞机机翼那样的刚性）是否有助于或阻碍推力的产生，意见不一。罗德岛州普罗维登斯学院的生物学家约翰·科斯特洛和他的同事认为，柔韧性可能是自然飞行的关键，因此他们决定研究真实动物翅膀的变形方式。
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羽毛和鳍
他们怀疑类似的弯曲效应也会在翅膀以及用于水中推进的鳍和尾鳍中显现出来。事实上，他们最初的动机是他们为美国海军研究办公室开展的一个项目，旨在开发一种仿生“水母载具”。科斯特洛说，这项工作表明，“在一个原本相当刚性的弯曲表面上增加一个简单的被动襟翼，可以使推进性能提高几个数量级”。
研究人员梳理了包括 YouTube 和 Vimeo 在内的视频网站，寻找从果蝇到蝙蝠，从软体动物到座头鲸等物种的视频片段。对于推进器形状和结构的巨大多样性——薄如蝉翼的膜、羽毛状的翅膀、厚重而沉重的鲸鱼尾巴——研究人员发现某些变量几乎没有变化，他们基本上是手工测量这些变量的。具体来说，在 59 个物种中，从弯曲开始的点到翼基的距离往往约为总翼长的三分之二；最大弯曲角度被限制在约 15° 到 38° 的范围内。
因此，进化背景截然不同的动物都找到了解决共同问题的相同方案。“它们的进化受到决定流体相互作用的物理定律的支配，”科斯特洛说。“它们是否起源于爬行、行走或跳跃的祖先并不重要；一旦它们适应了流体，它们就会在一个由一套共同限制决定的系统中进化。”
牛津大学研究动物飞行的格雷厄姆·泰勒说，最令人惊讶的是，所有这些动物都趋同于看似普遍的定律，尽管它们的身体具有不同的解剖结构和生理结构，并且由不同的材料制成。“昆虫相对脆弱的翅膀在飞行中的变形程度与虎鲸强大而肉质的尾鳍相同，”他补充道。
科斯特洛说，在这些发现能够应用于航空工程之前，还需要更多地了解狭窄的弯曲运动范围的好处。“也许到那时，这些动物在这些特征中发现的优势可以转化为人类设计。”
本文经《自然》杂志许可转载。该文章于 2014 年 2 月 18 日首次发表。