蝴蝶飛起來笨笨的，怎么還是捉不到？

銀洗貝母（Argynnis paphia） 圖片來源：Wikipedia

編譯丨周郅璨

編輯丨楊心舟

我們常常可以看到蝴蝶在陽光明媚的草地上翩翩起舞，它們優雅地拍打著翅膀，令人著迷，別看它們飛得不快，搖搖晃晃略顯笨拙，但你若想伸手去捉住它們卻并不容易，蝴蝶總是能夠靈巧地逃走。蝴蝶究竟掌握了怎樣特別的飛行方式，讓它能反應迅速呢？

早在20世紀70年代，韋斯·福格（Weis Fogh）的標志性論文就首次描述了懸停式昆蟲的拍翼飛行機制，此后這一機制被普遍視為昆蟲空氣動力學的重要部分。與其他懸停飛行的昆蟲，如蜻蜓、蜜蜂等相比，蝴蝶看起來十分不同，甚至可以說它不像是會飛的動物。相對于它們嬌小的體型來說，它們的翅膀異常的短且寬大，笨拙、低頻地拍打翅膀讓它們看上去更像是一位飛行新手。

福格的飛行機制提出已接近50年，但迄今為止，還鮮有對自由飛行的昆蟲翅膀的定量空氣動力學研究，對蝴蝶飛行機制的研究也寥寥無幾，這使得人們大多認為蝴蝶翅膀在空氣動力學方面效率低下，然而，瑞典隆德大學部的研究團隊近日在《英國皇家學會期刊·界面》（J. R. Soc. Interface）發表了一項研究，他們稱事實與人們的印象恰恰相反，蝴蝶其實是使用了一種非常復雜且有效的拍翼方式，巧妙地利用了它們獨特的翅膀。這有助于它們在躲避捕獵者時迅速起飛，且擁有很高的飛行效率。

實驗中，研究人員在瑞典南部的野外捕捉了6只銀洗貝母（Argynnis paphia），讓它們在風洞實驗室中自由飛行，并使用層析粒子圖像測速儀和高速攝像機對蝴蝶的飛行過程進行了記錄分析。研究表明，在它們上擊和拍打翅膀的過程中，不僅僅是兩個平面的相撞。當兩翼撞擊時，由于翅膀的靈活性，它們會有一個反向的弧度，形成一種“杯狀”拍擊，就像一個裝滿空氣的口袋，在拍擊過程的后期，空氣會被擠壓出來，形成一股向后的氣流，推動蝴蝶向前飛行，

而在下擊翅膀時，蝴蝶能夠運用氣流支撐體重，使其在空中懸停，不至于跌落到地面，這種“杯狀”的拍翼方式具有很高的效率，同時能夠讓蝴蝶快速起飛，并保持高度定向且持續的飛行。此外，蝴蝶的翅膀非常大，且具有較好的柔性，這也使得翼緣能夠形成更封閉的結構，包含進更多的空氣量，同時能夠避免泄露。

蝴蝶飛行的空氣動力學成像。圖片來源： J. R. Soc. Interface.18: 20200854

隆德大學部的生物學研究者佩爾·亨寧松（Per Henningsson）說：“這是一種優雅的飛行機制，比我們想象的要先進得多，它很吸引人。”該研究團隊還將蝴蝶翅膀的形狀和靈活性運用到了無人機上，他們研制的柔性機翼拍打式無人機，經過實驗驗證，與剛性機翼相比，拍擊的有效沖量（+22%）和效率（+28%）都顯著得到了提升。

受生態和棲息地變化的影響，不同種類蝴蝶的翅膀形狀有很大的區別，進一步探索這種形態變化與拍翼方式的聯系，以及對拍翼性能的影響是很有必要的。未來該團隊將把研究中發現的拍翼機制，進一步應用于無人機的機翼或水下無人機所用的推進系統設計中，通過實現“杯狀”拍擊來提高效率，從而縮短飛行或者潛行時間和航程，

https:http://www.sciencedaily.com/releases/2021/01/210121132059.htm

https:http://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854

來源：環球科學

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