肌肉和氣流的完美組合

昆蟲獨(dú)有的飛行能力令科學(xué)家嘆為觀止。按照傳統(tǒng)空氣動力學(xué)原理來看，蜜蜂是根本無法飛上天的。昆蟲飛行是20世紀(jì)的一大謎團(tuán)，最近人們才終于發(fā)現(xiàn)它們飛行軌跡中所顯露的一些奧秘——

空氣動力學(xué)誕生之初，科學(xué)家就注意到昆蟲的飛行有點(diǎn)詭異。早期研究表明，昆蟲是通過快速拍打它們的翅膀來飛行的，可這種力量太小，依據(jù)它們的體重與飛行力量比率，科學(xué)家根本不可能制造出人類的飛行器。

1934年，科學(xué)家安托萬·馬恩萊和安德烈·桑切斯古進(jìn)行蜜蜂的飛行研究。他們應(yīng)用數(shù)學(xué)分析和已知的飛行原理來計(jì)算蜜蜂的飛行，得出的結(jié)論是，理論上說“蜜蜂飛行是不可能的”。自那以后，蜜蜂成了不遵守空氣動力學(xué)原理的典型。

科學(xué)家下此定義的原因是，他們不可能制造出可以閃動翅膀的飛機(jī)。要產(chǎn)生30萬倍的呼吸效率，對于人類而言是無法想象的事情。

昆蟲翅膀溯源

昆蟲飛行的起源，至少可以追溯到3.5億年前的古生代，那時(shí)候的地球是沼澤的天下。沼澤又是昆蟲的理想樂園，所以，那時(shí)候的地球到處是昆蟲，但都是沒有翅膀的，它們當(dāng)時(shí)還不需要這樣累贅的東西。世界著名昆蟲學(xué)家馬修·道格拉斯在堪薩斯大學(xué)所進(jìn)行的研究證明，那時(shí)的昆蟲只有附翅，這是長在昆蟲胸腔部位的小小的翅狀突起，也叫垂下物。它們的功能本來是用來吸收太陽的熱量，這樣可以在氣溫下降時(shí)提高昆蟲的體溫。

到了古生代的石炭紀(jì)，出現(xiàn)了戲劇性的一幕：兩棲類動物和爬行類動物開始大量登陸，它們均以昆蟲為食。這樣一來，除了原先的天敵蜘蛛和蝎子以外，昆蟲又有了第三類致命的敵人。起先，昆蟲是用跳躍的方式來逃脫兩棲動物的襲擊的。幸虧昆蟲胸部的垂下物能使它們騰空而起，盡管距離很短，卻足以使它們死里逃生。

符合適者生存的進(jìn)化法則，活下來的昆蟲其附翅就逐漸開始發(fā)育，而且逐漸形成翅膀的雛形。昆蟲學(xué)家們推測，有一些昆蟲在拼死逃命而跳躍的時(shí)候，會拍打它們那小小的翅形垂下物，以便使自己能滑翔得更遠(yuǎn)些。最后，這些垂下物就發(fā)育成為展開的漂亮的翅膀。昆蟲用胸部強(qiáng)勁的肌肉來撲動它們的翅膀，因而可以飛得很遠(yuǎn)，使食肉動物可望而不可及。

妙不可言的氣旋

波音747飛機(jī)不會像昆蟲一樣扇動翅膀，卻同樣可以飛起來，這是因?yàn)樗褂?50噸的爆發(fā)性能量，并在機(jī)翼形狀設(shè)計(jì)上下了足夠的功夫，所以才能夠獲得巨大的上升力。如果飛機(jī)像鳥和昆蟲一樣振翅的話，周圍便會產(chǎn)生空氣漩渦而造成失速和墜落。

對于只有0.056克的紋白蝶來說，它的飛翔方式卻是無法用這個(gè)定理來解釋的。若以流體力學(xué)來解釋的話，也會得到“昆蟲會掉下來”的結(jié)論。

直到1998年，英國劍橋大學(xué)的理查得·亨廷頓教授才清楚說明了飛機(jī)和昆蟲飛行方式的不同。秘密就蘊(yùn)藏在神奇的氣旋中。

空氣是什么？空氣可不是你所想象的那么無所謂，它可是既有體積又有質(zhì)量，而且還是具有一定黏性的東西。例如，乘坐云霄飛車時(shí)，由于風(fēng)壓所以整個(gè)身子會向后仰。重量輕的紋白蝶，當(dāng)它起飛時(shí)，能量一下子就會用完。然后它會用肌肉攪動有黏性的空氣，讓翅膀周圍的空氣產(chǎn)生漩渦，并藉由此產(chǎn)生的反作用力，以盤旋而升的氣流力量讓它得到上升飛行的能力。當(dāng)翅膀由上往下拍打時(shí)，身體便往上浮起，翅膀舉起的時(shí)候便開始了飛行前進(jìn)。情形和道理頗像是人類的碟泳前進(jìn)。

為了更詳盡地揭示蜜蜂等昆蟲的飛行奧秘，亨廷頓教授團(tuán)隊(duì)花費(fèi)近一年的時(shí)間，制作出一只個(gè)頭稍大些的機(jī)械天蛾，它具有用微型電池提供動力的翅膀，扇動力度和角度與真正的天蛾基本相同。研究人員把它放進(jìn)風(fēng)穴中，然后用超高速攝像機(jī)拍下它飛行時(shí)翅膀表面煙霧移動的三維畫面。一些未知細(xì)節(jié)讓大家眼前一亮——娥和蜜蜂等昆蟲在起飛時(shí)，它們翅膀的前緣處會產(chǎn)生一個(gè)急轉(zhuǎn)的螺旋形氣團(tuán)，正是這個(gè)氣團(tuán)給了它們一種額外的升力。

仔細(xì)觀看三維影像畫面后，研究人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)昆蟲向下振動翅膀時(shí)，氣流上升到翅膀以上，并在整個(gè)翅膀前緣部位形成一串圓筒狀氣旋。這個(gè)氣旋是個(gè)圓錐形螺旋，翅膀根部的螺旋很小，越到翅尖，螺旋越大。

整個(gè)氣旋與翅膀前緣保持水平，并緊貼前緣。從翅根到翅尖，這個(gè)氣旋強(qiáng)度逐漸減弱、消失，接著被另一個(gè)新產(chǎn)生的氣旋所取代。氣旋移至翅尖后又延伸到昆蟲的尾部，循環(huán)往復(fù)，這樣一來，兩個(gè)翅膀振動所產(chǎn)生的氣旋就構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形。昆蟲每振翅一次，就在雙翼前緣處形成一個(gè)氣旋，然后又沖出這個(gè)氣旋。此時(shí)它翅膀處在氣團(tuán)包裹中，但翅膀的下一次振動所形成的氣旋卻再次為它提供升空的動力。

亨廷頓教授興奮地說，飛行試驗(yàn)證明，這個(gè)氣旋在昆蟲的翅膀上空造成了一個(gè)低壓區(qū)，在周圍高壓的推動下，處在低壓區(qū)中心的翅膀就會被吸引上升。每個(gè)低壓區(qū)都會被周圍的高壓區(qū)所托起，使處在低壓區(qū)的昆蟲獲得上升的力。

以前，空氣動力學(xué)家懷疑昆蟲振動翅膀產(chǎn)生的前緣氣旋可以獲得足夠上升的力量，那是因?yàn)樗麄儧]有看到這個(gè)氣旋的細(xì)節(jié)，而過于保守了。

亨廷頓團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)獲得了學(xué)界權(quán)威的首肯，他們認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)的重要意義在于第一次證實(shí)昆蟲翅膀前緣處的氣旋是螺旋狀的，呈圓錐形由翅根向翅尖推進(jìn)。這種移動方式使整個(gè)氣旋保持穩(wěn)定，推遲了氣旋與翅膀相分離，使氣旋盡可能長時(shí)間地給昆蟲提供上升的推力。

在揭示神秘氣旋之前，亨廷頓還闡釋了為什么昆蟲長時(shí)間飛行卻不會疲勞的奧秘。原來，絕大多數(shù)昆蟲都在胸部長有8至10對氣門，也稱呼吸口。它們雖然沒有肺，無需通過血紅蛋白，卻可以直接將氧氣輸送給肌肉，這種供給效率竟然是人類的30萬倍。所以，它們可以長時(shí)間并輕松地扇動翅膀。

姿態(tài)控制尚未知

小昆蟲的確蘊(yùn)含著大秘密。亨廷頓及圈內(nèi)專家都清楚，了解了氣旋與肌肉供氧還只是初步階段，昆蟲飛行還有諸多奧秘有待探索。比如，科學(xué)家還不能解釋昆蟲在空中是如何控制身姿的，因?yàn)樗鼈儾粫o止停留在空中。還有，它們是怎樣應(yīng)對風(fēng)向和風(fēng)速變化的？而要了解昆蟲是怎樣控制和順應(yīng)這些外力條件的，無疑是十分復(fù)雜艱難的事。亨廷頓多次坦率地表示，這顯然不是一兩代人能解決的，這既需要多學(xué)科的聯(lián)合，更需要主流科學(xué)的發(fā)展。