揭開(kāi)昆蟲(chóng)飛行的秘密
盡管昆蟲(chóng)和其親屬占所有動(dòng)物物種（迄今為止，我們已知的動(dòng)物共有90多萬(wàn)種）的80%左右，但昆蟲(chóng)飛行的力學(xué)原理一直是個(gè)未解之謎。傳統(tǒng)的固定翼飛機(jī)主要依靠機(jī)翼上穩(wěn)定的氣流來(lái)飛行。直升機(jī)和旋翼機(jī)也是如此。但因?yàn)槔ハx(chóng)的翅膀會(huì)不斷地前后拍打，所以它們周圍的空氣也在持續(xù)發(fā)生變化。而且，蜜蜂和其他昆蟲(chóng)短而粗的翅膀能夠提升的重量之大，用傳統(tǒng)的穩(wěn)定狀態(tài)的空氣動(dòng)力學(xué)原理根本不足以解釋。
在科學(xué)家們能理解拍翼飛行之前，他們首先必須能看見(jiàn)其最幽微的細(xì)枝末節(jié)。在上世紀(jì)70年代，英國(guó)劍橋大學(xué)的丹麥籍動(dòng)物學(xué)家托克爾·韋斯-福用高速攝影術(shù)對(duì)正在不斷盤(pán)旋的昆蟲(chóng)翅膀的精確運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析并同昆蟲(chóng)的形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行比較。借此，他推導(dǎo)出了一個(gè)通用的昆蟲(chóng)飛行理論，其中包括他稱為“拍撲效應(yīng)”的原理。這種原理指出，昆蟲(chóng)在初始時(shí)刻將翅膀重疊在一起，隨后再突然將翅膀分開(kāi)，這種運(yùn)動(dòng)會(huì)把空氣帶走并且制造出一種低壓的“小口袋”。接著，空氣又會(huì)再次殺入“小口袋”中，形成一個(gè)不斷旋轉(zhuǎn)的渦旋。這種渦旋制造出的力對(duì)在昆蟲(chóng)的翅膀拍動(dòng)期間將昆蟲(chóng)提升起來(lái)必不可少。韋斯-福指出，同樣的漩渦或許可以由翅膀的角度和旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生，從而產(chǎn)生額外的提升力。
圖：無(wú)人機(jī)。
20年后，計(jì)算機(jī)技術(shù)也對(duì)這一理論產(chǎn)生了興趣；科學(xué)家們也開(kāi)始將這些原理應(yīng)用到人造系統(tǒng)上。英國(guó)劍橋大學(xué)的查爾斯·艾靈頓曾經(jīng)是韋斯-福的學(xué)生，他建造出了一雙機(jī)械翅膀，其能夠精確地模擬鷹蛾的運(yùn)動(dòng)。鷹蛾是世界上飛行速度最快的昆蟲(chóng)，大約每小時(shí)可飛行53千米。艾靈頓將研制出的機(jī)械翅膀置于一個(gè)充滿了煙霧的風(fēng)洞（風(fēng)洞是能人工產(chǎn)生和控制氣流，以模擬飛行器或物體周圍氣體的流動(dòng)，并可量度氣流對(duì)物體的作用以及觀察物理現(xiàn)象的一種管道狀設(shè)備，它是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具）中，如此一來(lái)，當(dāng)昆蟲(chóng)拍動(dòng)翅膀時(shí)，他就能分析其運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)原理。
另外，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的神經(jīng)生物學(xué)家邁克爾·迪金森則建造了一對(duì)機(jī)器果蠅的翅膀，其能模擬一只果蠅的一舉一動(dòng)。他將該機(jī)器果蠅翅膀浸入2噸的礦物油中。借用這兩組機(jī)械翅膀，這兩名科學(xué)家分別總結(jié)出了各自研究的昆蟲(chóng)飛行的空氣動(dòng)力學(xué)原理。
1998年，迪金森和電子工程師羅恩·費(fèi)林獲得了美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）提供的250萬(wàn)美元獎(jiǎng)金，以應(yīng)用這些原理來(lái)研制一臺(tái)昆蟲(chóng)大小的機(jī)器人。他們找了一位名叫洛博·伍德的研究生和他們一起工作，伍德的主要任務(wù)是幫助他們研發(fā)技術(shù)來(lái)制造出細(xì)小的零件并將其組裝成一對(duì)鑷子，這些工作繁瑣且耗時(shí)。伍德說(shuō)：“昆蟲(chóng)翅膀的飛行軌跡真的非常復(fù)雜。”2004年，伍德從哈佛大學(xué)畢業(yè)并擁有了自己的實(shí)驗(yàn)室，此時(shí)，他已經(jīng)找到了非常有效的方法，可以使用極其高效且奇異的材料來(lái)復(fù)制昆蟲(chóng)翅膀的運(yùn)動(dòng)。他建造了一個(gè)陀螺儀，能模擬昆蟲(chóng)用來(lái)探測(cè)身體旋轉(zhuǎn)的傳感器；而且，他也研究出了方法，可以在微尺度上制造復(fù)雜的系統(tǒng)。
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