作者:群芳 来源:科学时报 发布时间:2009-10-15 9:59:25
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扭曲的翅膀使沙漠蝗虫成为高效的飞行者

烟的痕迹表明了空气在沙漠蝗虫扭曲的翅膀周围是如何流动的。(图片提供:《科学》)

 
下次坐飞机时别忘了瞥一眼机翼——你会发现每个螺栓和铆钉都是和机翼表面齐平的,从而形成了一个极其流畅的结构。然而沙漠蝗虫(Schistocerca gregaria)的翅膀却远没有这般圆滑——它们的翅膀覆盖着褶皱和纹理,并且在拍打时还会扭曲和变形。如今,一项新的研究成果表明,正是这些特征使得沙漠蝗虫成为一个高效的飞行者,尽管它们的速度并不快。
 
生物学家和工程师早就知道昆虫的翅膀要比扁平、刚性的飞盘复杂得多。然而大多数的昆虫飞行模型却将它们的翅膀按照后者的方式进行处理,这是因为科学家需要使他们的运算简单化,但这也是缺乏昆虫翅膀实际运动状况详细描述的无奈之举。
 
为了研制一个更好的模型,英国牛津大学的生物机械学家Adrian Thomas和同事提出了一种新的方法,从而能够在飞行过程中捕捉昆虫翅膀变化的细节。研究小组在一只沙漠蝗虫的周围架起了4部高速摄像机,并记录了昆虫拍打翅膀的过程。在每次拍打的过程中,每部摄像机对标记在蝗虫翅膀上的100多个点进行了追踪。研究人员随后利用这些点的运动数据生成了一个蝗虫的三维计算机模型。用虚拟昆虫进行的模拟结果非常接近真蝗虫翅膀的空气流动和力学实验室数据。
 
利用这个有效的模型,Thomas的研究小组开始逐步抹去蝗虫翅膀上的相关特征。在一项模拟实验中,他们消除了虚拟翅膀上的褶皱和翘曲——从翅膀前端到后面的曲线。在另一项模拟实验中,研究人员除去了虚拟翅膀拍打时产生的扭曲,从而使翅膀变得平滑和刚性。结果显示,相比活体蝗虫,这两个模型无疑是低效的飞行者——与拱形的翅膀相比,活体昆虫弯曲而扭结的翅膀能够有效地提供10%的额外升力,并且它们比扁平且刚性的模型增加了50%的功效。
 
在翅膀没有扭结的模型中,气流沿翅膀分开后形成的旋涡产生了摩擦力。然而蝗虫通过保持翅膀与气流之间的角度不变,从而避免了这些旋涡的形成。Thomas指出,对于沙漠蝗虫来说,通过使摩擦力最小化来保存能量无疑是至关重要的,要知道这些昆虫有时甚至需要一次飞行300公里的距离——这远远超出了用电池提供动力的微型直升飞机的续航能力。他说,工程师们如今正在按照昆虫的续航时间来设计小型飞行器。
 
美国加利福尼亚大学河畔分校的生物学家Douglas Altshuler指出,之前的研究工作更多着眼于昆虫的翅膀是如何产生升力的,因此“思考翅膀的形状如何对飞行的能量损耗造成影响是很有价值的,并且是下一步研究的一个很好的方向”。
 
(群芳 译自www.science.com,10月14日)
 
《科学时报》 (2009-10-15 A3 国际)
 
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