這是一個(gè)炎熱的夏日，在瑞典隆德大學(xué)的野外臺(tái)站附近，該校的生物學(xué)家 Christoffer Johansson 和 Per Henningsson 正邁著深深淺淺的腳步，穿過(guò)一片雜草和野花遍布的草甸。他們悄無(wú)聲息、小心翼翼地接近一只微微振翅的橘色昆蟲，同時(shí)張開(kāi)了一個(gè)柔軟的網(wǎng)兜。

對(duì) Johansson 和 Henningsson 來(lái)說(shuō)，捕捉綠豹蛺蝶并非單純出于夏日趣味。

他們將使用慢動(dòng)作相機(jī)和高速流測(cè)量裝置，嘗試?yán)斫?/span> 蝴蝶獨(dú)特的飛行模式背后的成因 。他們的發(fā)現(xiàn)不僅有助于科學(xué)家們更好地了解蝴蝶的一生，還能為新一代無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

理解蝴蝶獨(dú)特的飛行模式背后的成因，可以為新一代無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

回想草甸捕蟲的酷暑煎熬，或是在試驗(yàn)風(fēng)洞搜遍每個(gè)角落、捕回蝴蝶樣本的焦急尋找，Johansson 說(shuō)，這項(xiàng)工作并不總是那么輕松，但始終很有意思。

“我們通常大部分時(shí)間都在實(shí)驗(yàn)室，”Johansson 說(shuō)，“不過(guò)，也有那么幾天，我們專門跑去外面的草甸捉蝴蝶......但最有意思又最令人挫敗的，還是實(shí)際的風(fēng)洞試驗(yàn)。即使我們每次把蝴蝶放在一個(gè)確定的位置，它一旦起飛，就會(huì)在風(fēng)洞里快速飄飛、不見(jiàn)蹤影，最后卻又重新出現(xiàn)在我們頭頂。”

帝王蝶之謎

蝴蝶不僅能在花朵之間短促地飛行，也可以完成長(zhǎng)距離的遷徙飛行。以帝王蝶的遷徙為例，它們可以從美國(guó)飛到墨西哥，單程距離超過(guò) 4,800 公里。

但蝴蝶飛行模式的特別之處不止于此，Johansson 說(shuō)。它們還擁有異于其他昆蟲的體型-翼展比，相對(duì)其體型而言，蝴蝶的翅膀異常的大。

Johansson 和他的同事希望獲得新的數(shù)據(jù)，揭秘近 50 年來(lái)研究人員苦苦探尋的蝴蝶飛行機(jī)制。

“對(duì)比其他飛行動(dòng)物，蝴蝶可謂不同尋常，”Johansson 說(shuō)道，“它們的翼載非常小，展弦比也較低，這意味著相比其他飛行動(dòng)物，蝴蝶的翅膀非常大、短且寬?！?/span>

蝴蝶在起飛時(shí)通過(guò)下?lián)渲误w重，然后通過(guò)上撲產(chǎn)生推力。（圖片所有權(quán)：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

早在 20 世紀(jì) 70 年代，科學(xué)家們就推測(cè)，蝴蝶之所以能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離飛行，可能是在上撲至最高點(diǎn)時(shí)合攏翅膀，借助由此形成的氣流推動(dòng)自身前進(jìn)。

近 50 年來(lái)，科學(xué)家們一直努力試圖驗(yàn)證這種機(jī)制，但相比實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的系留飛行，要量化蝴蝶的自由飛行活動(dòng)，說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難。通過(guò)研究，Johansson 和 Henningsson 獲得了新數(shù)據(jù)，不僅有助于解答蝴蝶飛行機(jī)制的問(wèn)題，還有助于理解如何將其拓展到其他應(yīng)用。

“通常，我們很難設(shè)想基礎(chǔ)研究最后會(huì)有什么用途，但就這項(xiàng)研究而言，無(wú)人機(jī)是一個(gè)很直接的應(yīng)用，”Johansson 說(shuō)，“目前已經(jīng)有無(wú)人機(jī)使用撲翼機(jī)制產(chǎn)生作用力。我們很期待這類無(wú)人機(jī)的開(kāi)發(fā)者了解這項(xiàng)研究提出的蝴蝶飛行機(jī)制，利用它來(lái)提高機(jī)翼靈活性，并最大化撲翼的效率和作用力。”

揭秘蝴蝶飛行

研究團(tuán)隊(duì)將六只綠豹蛺蝶引入隆德大學(xué)的回流風(fēng)洞，并使用蜂蜜水喂食器引誘這些昆蟲起飛。

這個(gè)風(fēng)洞非常特別。它建造之初是用來(lái)研究鳥類飛行。

風(fēng)洞中安裝了一臺(tái)巨大的風(fēng)扇，以每秒 2 米的速度讓氣流循環(huán)，以防蝴蝶太輕易地飛離測(cè)量環(huán)境。

團(tuán)隊(duì)使用四臺(tái)高速攝像機(jī)錄制蝴蝶引起的空氣流動(dòng)，用另外兩臺(tái)攝像機(jī)捕捉蝴蝶的運(yùn)動(dòng)。

這種流測(cè)量技術(shù)稱為層析粒子圖像測(cè)速，有助于研究人員創(chuàng)建流體流的三維模型；然后，團(tuán)隊(duì)可以研究空氣動(dòng)力學(xué)作用力，了解蝴蝶翅膀如何推動(dòng)它們飛行。研究的焦點(diǎn)是蝴蝶撲翼時(shí)帶來(lái)的氣流。

風(fēng)洞中懸浮著直徑大約只有 1 微米的微小氣溶膠粒子。當(dāng)蝴蝶在這些粒子中穿行并達(dá)到激光照亮的薄板前方時(shí)，高速攝像機(jī)會(huì)捕捉這些粒子的移動(dòng)。

團(tuán)隊(duì)一共捕捉到 25 個(gè)序列，每個(gè)序列有一到三次撲翼。

Johansson 說(shuō)，他們的團(tuán)隊(duì)使用 MATLAB? 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中用到了一個(gè)他自己設(shè)計(jì)的向量分析用戶界面，可以研究蝴蝶飛行的流體動(dòng)力學(xué)。

“我們這個(gè)領(lǐng)域的研究技術(shù)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)計(jì)算要求高，目前沒(méi)有一款現(xiàn)成的軟件能夠按照我們希望的方式完成所有分析，”Johansson 說(shuō)，“因此，我們需要自己創(chuàng)建大部分代碼。”

“到目前為止，MATLAB 是對(duì)我們這個(gè)項(xiàng)目最有用的工具?！?/em>

—— 隆德大學(xué)生物學(xué)家 Christoffer Johansson

蝴蝶以大約 2 ms-1 的速度飛行時(shí)，在上撲及合攏翅膀過(guò)程中產(chǎn)生的推力。（圖片所有權(quán)：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

“他們使用 MATLAB 將流可視化并繪制試驗(yàn)結(jié)果圖，”MathWorks 的教育客戶成功工程師 Sagar Zade 說(shuō)。

Johansson 和 Henningsson 還使用 MATLAB 計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)作用力，確定撲翼的空氣動(dòng)力學(xué)功率，并使用蒙特卡羅模擬估計(jì)背景功率。

“這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常寶貴，今后，研究人員可以在此基礎(chǔ)上使用 MATLAB 并結(jié)合復(fù)雜的納維-斯托克斯方程進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值建模?！盳ade 補(bǔ)充說(shuō)。

除了測(cè)量蝴蝶飛行所帶來(lái)的射流之外，團(tuán)隊(duì)還分析了蝶翼的形態(tài)學(xué)如何使其在上撲過(guò)程中形成杯形，從而改善這些射流。他們使用此數(shù)據(jù)制作了機(jī)械蝶翼，以驗(yàn)證柔性翼及其形成的杯形對(duì)撲翼性能的影響。

Johansson 表示，他們制作了兩種機(jī)械翼，一種是輕木制成的直角三角翼，另一種是乳膠薄膜翼，通過(guò)伺服發(fā)動(dòng)機(jī)和 Arduino? 板控制。機(jī)械翼側(cè)面裝有鉸鏈，使其能夠旋轉(zhuǎn)和合攏。

柔性薄膜可以在合攏過(guò)程中形成杯形，而不易彎曲的輕木則不會(huì)，如此一來(lái)就可以對(duì)比性能，單獨(dú)研究杯形的作用。

Johansson 說(shuō)，通過(guò)生物學(xué)家的風(fēng)洞試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室的機(jī)械翼試驗(yàn)，他們對(duì)蝴蝶飛行動(dòng)力學(xué)的認(rèn)知取得了關(guān)鍵進(jìn)展，并了解到如何加以重現(xiàn)。

他表示，他們發(fā)現(xiàn)，與輕木翼相比，柔性薄膜翼在撲翼過(guò)程中的推力和效率要高出 25%。他們還發(fā)現(xiàn)，蝶翼的上撲和下?lián)湓陲w行中各自發(fā)揮著不同作用。

“下?lián)淇梢援a(chǎn)生垂向力，上撲及合攏則可以產(chǎn)生推力，”Johansson 說(shuō)，“和大多數(shù)飛行一樣，垂向力占主導(dǎo)。在蝴蝶的飛行中，垂向力是推力的 9.4 倍?！?/span>

柔性翼可以提高撲翼推力和效率。（圖片所有權(quán)：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

該團(tuán)隊(duì)的完整研究成果發(fā)表于英國(guó)皇家學(xué)會(huì)期刊《界面》（https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854）。

Johansson 和 Henningsson 都沒(méi)有正式學(xué)習(xí)過(guò) MATLAB，因此，Johansson 表示，軟件的便捷性、靈活性和易用性都對(duì)他們的研究工作起到了很大幫助。

“到目前為止，MATLAB 是對(duì)我們這個(gè)項(xiàng)目最有用的工具?！盝ohansson 說(shuō)。

飛越蝴蝶

成功揭秘蝴蝶飛行后，Johansson 想要嘗試將這一方法更廣泛地運(yùn)用于其他生物的飛行建模，包括鳥類、蝙蝠以及微生物。

早在人類之前，大自然就一直致力于讓飛行臻于完美。通過(guò)研究這些生物各種各樣的飛行方式，工程師們可以構(gòu)建更加高效、多樣的空中無(wú)人機(jī)甚至是水下無(wú)人機(jī)。

有朝一日，這些無(wú)人機(jī)可以為您提供生鮮一日達(dá)服務(wù)，也可以潛入深海研究海洋生物。

“有人說(shuō)，蝴蝶掌握了這世間的一切飛行技巧，”Johansson 說(shuō)，“要驗(yàn)證這一點(diǎn)，并探明不同的條件對(duì)這些機(jī)制的影響，我們還有大量的研究要做。”