論懸停技術,蜂鳥我是服氣的,但蝙蝠有多努力你知道嗎
2020年07月10日14:11

原標題:論懸停技術,蜂鳥我是服氣的,但蝙蝠有多努力你知道嗎

原創 悲催的鉈寶寶 我是科學家iScientist

說起脊椎動物里的懸停高手,大家可能最先想到蜂鳥。它們可以將長長的喙紮進花里,撲棱著翅膀保持身體在半空中紋絲不動,擺出一副定心凝神吃到飽的姿態。

慢鏡頭下吸食花蜜的蜂鳥 | Lentink Lab, Stanford University

其實,除了蜂鳥,脊椎動物里還有另外一群鮮為人知的懸停高手——食蜜蝙蝠。不同於大多數人心中“吸血鬼”或“捕蟲高手”的印象,這類蝙蝠更偏愛甜甜的花蜜。它們會飛到花朵前,把臉埋進花里,快速地伸縮舌頭舔食花蜜。食蜜蝙蝠和蜂鳥一樣,飲蜜時能通過搧動翅膀,使身體懸停在花朵旁不動。

懸停在空中的食蜜蝙蝠 | Glenn Barle

一邊是蜂鳥輕盈的羽翼,另一邊是蝙蝠薄薄的皮膜。這兩種質感和結構完全不同的翅膀,居然能實現相似的懸停效果。那麼,它們的發力機製是否相同?哪種翅膀的懸停效果更好、更省能量呢?

懸停高手,各顯神通

為了探討這些問題,來自斯坦福大學的博士生里弗斯·英格索爾(Rivers Ingersoll)等人來到了哥斯達黎加。這片屬於新熱帶界的土地上,生活著不同種類的蜂鳥和食蜜蝙蝠。研究者們使用高解像度空氣動力學測力台(裝有3D高速攝像裝備),對蜂鳥和蝙蝠的懸停行為進行了分析。

研究者們發現,蜂鳥振翅的上下、前後幅度十分對稱,整個振翅週期,翅膀扭轉角度和伸縮幅度也較小,優雅輕鬆地完成了懸停過程。受力分析圖顯示,蜂鳥翅膀運動時平均傾斜7°,比較接近水平面,因此獲得的淨升力幾乎垂直於水平面,可以有效地抵消自身重力。

分析蜂鳥振翅時所產生的力 | 參考文獻[1]

蜂鳥振翅時所產生的力(放慢100倍)| LentinkLab.

研究者們又給蜂鳥出了點難題:他們改變了花朵的角度。靈動的蜂鳥依然能通過調整身體和頭部姿態,保持翅膀和水平面的夾角基本不變(因此獲得的淨升力也基本不減),輕鬆應對不同角度開放的花朵。

蜂鳥通過調整姿態,輕鬆應對不同角度開放的花朵 | 參考文獻[1]

而食蜜蝙蝠的動作顯然要誇張許多。由於在抬升翅膀時,來自空氣的阻力向下,抬翅獲得的升力較少。蝙蝠便減短了抬翅時間,整個振翅週期也不對稱(有種猛烈抬起又慢慢放下的感覺)。

分析食蜜蝙蝠振翅時所產生的力 | 參考文獻[1]

蝙蝠振翅時所產生的力(放慢100倍)| LentinkLab.

由於拍打翅膀幅度特別大,蝙蝠受到的空氣阻力也變大了。聰明的蝙蝠用了兩種方法來應對這個問題:

1. 減少阻力。蝙蝠在抬翅時,猛地將翅膀收縮35%(如下圖D),減少“搧風”面積,有效降低了向下的阻力。

2. 利用阻力。蝙蝠懸停時,扇翅角度比蜂鳥大得多。因此翅膀在下落期間,受到斜向上的阻力,其中一部分阻力能用來抵消重力,頗有“借力打力”的意味。

其中藍線為蜂鳥,紅線為蝙蝠 | 參考文獻[1]

如此看來,在“尋蜜”道路上,蜂鳥和食蜜蝙蝠選擇了完全不同的進化策略。蜂鳥肢體演化出了專門的功能:前肢(翅膀)用來飛翔,後肢(爪子)用來棲息。而蝙蝠前肢和後肢要同時用來撐開翼膜,這可能是它在抬翅時,獲得升力較小的原因。於是它們演化出了更大的翅膀“扇出”更多升力,來減少振翅次數和能量損耗。

總之,蜂鳥在本輪對決中更勝一籌。可憐食蜜蝙蝠這麼努力,懸停效率還是沒有趕上蜂鳥。

仿生飛行器

人們早就注意到了蜂鳥和蝙蝠的飛行方式,這啟發了迷你仿生飛行器的製作。

2011年,美國國防部高級研究計劃局投資AeroVironment公司,研發出了納米蜂鳥:

AeroVironment公司研發的納米蜂鳥 | 參考文獻[2]

這款納米蜂鳥翼展160毫米,重量還比不上一節5號電池。它能被遠程遙控,並配有偵查攝像機,飛行和懸停能力都十分出色。它小巧的身形可以在狹窄空間中穿行,完成搜索救援、環境監測等工作。

仿生蝙蝠微型飛行器也很有特色。2017年,伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校協作科學研究實驗室,研製仿生蝙蝠飛行器:骨架為輕巧的合金材質;機翼採用矽基薄膜,與傳統覆蓋織物相比,矽基薄膜具有更好的摺疊、拉伸性能,模擬了蝙蝠翅膀皮膜的特性,可以適應不同風力環境。比起龐大、吵鬧的重型無人機,這款仿生蝙蝠飛行器在執行任務時,對人們影響會小很多。

仿生蝙蝠微型飛行器的主要結構 | 參考文獻[3]

如此看來,斯坦福大學關於蜂鳥和蝙蝠的研究,不僅深度挖掘了兩種動物的懸停機製,也為此類仿生飛行器的製作提供了更多思路。

以後的演化道路上,食蜜蝙蝠的懸停效率能否提高,我們不得而知。不過如何提升仿生飛行器的各項性能,就是我們人類可以努力的事情啦。

原標題:《論懸停技術,蜂鳥我是服氣的,但蝙蝠有多努力你知道嗎》

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