寻找自然界最有效的飞行机制

影片由 David Lentink 提供

借助两英尺宽的机器人苍蝇、一桶油以及一些烟雾和激光技巧，一位航天工程师发现，大自然早就找到了最有效的飞行方式。好吧，至少如果你真的很小的话。

这项技术会在机翼前缘形成一个类似小型侧向龙卷风的涡流，从而降低机翼表面的压力。低压实际上会将机翼向上吸起，使机翼通常可获得的升力增加一倍。

荷兰瓦赫宁根大学教授、加州理工学院研究员戴维·伦廷克 (David Lentink) 上周在《科学》杂志上宣布，枫树种子也能做到这一点。昆虫、蜂鸟和蝙蝠也能做到这点，它们会来回摆动翅膀。枫树种子在旋转落向地面时会产生涡流，使它们下落得更慢，落点离树更远。

树种子形成了前缘涡流，其进化路径与以它们为食的飞行动物完全不同，这一事实表明，这是最有效的飞行机制之一。

“这太令人震惊了。这表明，空气动力学在进化过程中对机翼的形成非常重要，非常不同的生物都进化出了相同的机制来增加升力，”伦廷克说，并补充说，树种在没有大脑或肌肉帮助的情况下进化出了这种特性。“这使得产生前缘涡流变得轻而易举，这真的很有趣。”

为了找出是什么帮助种子实现如此高效的升力，伦廷克需要观察它们的实际作用。幸运的是，加州理工学院迈克尔·迪金森动物生理实验室的研究人员在测量昆虫空气动力学方面经验丰富，他们使用 Robofly 和 Robofly 的新娘。

Robofly 是一只果蝇机器人，翼展 23 英寸，每秒扇动 5 次，浸泡在两吨重的矿物油中，模拟了真果蝇在空中扇动翅膀时感受到的阻力。它的新娘是一只类似的野兽，可以扇动翅膀并模拟向前飞行。

Lentink 想要测试枫树种子旋转到地面时的旋转运动，因此他制作了一颗 5 英寸的枫树种子（大约是真实枫树种子的 5 倍大），并将其连接到 Robofly 的马达上。

大量微型玻璃珠被添加到油中，然后伦廷克用强大的激光照射它们，拍摄下种子“下落”时产生的漩涡。

“种子在旋转，穿过激光片，击中机翼的横截面和周围的气流。你看到气流是因为玻璃球在机翼周围移动，”他说。

他还在垂直风洞中测试了 32 颗真正的枫树种子，以用真实的枫树种子验证他的发现。

“这些昆虫和枫叶能产生如此大的升力，这在很多方面都令人惊讶，”他说。“了解为什么会进化出不同的运动将会很有趣。这完全取决于它们在进化过程中继承了什么，比如可以拍打翅膀但不能连续旋转的肌肉。对于枫树来说，从生物学上讲，它们应该能用连续旋转的翅膀飞得很好，这很有道理；枫树种子是由重力和湍流阵风推动的。关于这一点，我们还有很多不知道的东西。”

那么，我们是否应该重新设计我们的直升机呢？伦廷克说，你可能不想要一架人形大小的枫树直升机——更大的机翼和更快的速度会导致非常不稳定的前缘涡流，这种涡流只会持续几秒钟。此外，很少有乘客能像枫树种子一样在整个飞行过程中忍受 360 度的旋转。

但小型枫树直升机却能做到这一点，它们可以用于各种用途，从监视到交通监控，再到减缓其他星球大气层中的探测器速度。美国国防部甚至尝试开发微型枫树相机。

“我认为未来的微型直升机将拥有枫树种子般的机翼，”伦廷克说。“如果你想设计非常有效、高效的微型或纳米级飞行器，最好向枫树种子产生的涡流学习，而不是向昆虫产生的涡流学习。”