流体力学揭秘蝴蝶飞行之谜

这是一个炎热的夏日，在瑞典隆德大学的野外台站附近，该校的生物学家 Christoffer Johansson 和 Per Henningsson 正迈着深深浅浅的脚步，穿过一片杂草和野花遍布的草甸。他们悄无声息、小心翼翼地接近一只微微振翅的橘色昆虫，同时张开了一个柔软的网兜。

对 Johansson 和 Henningsson 来说，捕捉绿豹蛱蝶并非单纯出于夏日趣味。

他们将使用慢动作相机和高速流测量装置，尝试理解 蝴蝶独特的飞行模式背后的成因 。他们的发现不仅有助于科学家们更好地了解蝴蝶的一生，还能为新一代无人机的设计提供借鉴。

理解蝴蝶独特的飞行模式背后的成因，可以为新一代无人机的设计提供借鉴。

回想草甸捕虫的酷暑煎熬，或是在试验风洞搜遍每个角落、捕回蝴蝶样本的焦急寻找，Johansson 说，这项工作并不总是那么轻松，但始终很有意思。

“我们通常大部分时间都在实验室，”Johansson 说，“不过，也有那么几天，我们专门跑去外面的草甸捉蝴蝶......但最有意思又最令人挫败的，还是实际的风洞试验。即使我们每次把蝴蝶放在一个确定的位置，它一旦起飞，就会在风洞里快速飘飞、不见踪影，最后却又重新出现在我们头顶。”

帝王蝶之谜

蝴蝶不仅能在花朵之间短促地飞行，也可以完成长距离的迁徙飞行。以帝王蝶的迁徙为例，它们可以从美国飞到墨西哥，单程距离超过 4,800 公里。

但蝴蝶飞行模式的特别之处不止于此，Johansson 说。它们还拥有异于其他昆虫的体型-翼展比，相对其体型而言，蝴蝶的翅膀异常的大。

Johansson 和他的同事希望获得新的数据，揭秘近 50 年来研究人员苦苦探寻的蝴蝶飞行机制。

“对比其他飞行动物，蝴蝶可谓不同寻常，”Johansson 说道，“它们的翼载非常小，展弦比也较低，这意味着相比其他飞行动物，蝴蝶的翅膀非常大、短且宽。”

蝴蝶在起飞时通过下扑支撑体重，然后通过上扑产生推力。（图片所有权：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

早在 20 世纪 70 年代，科学家们就推测，蝴蝶之所以能实现长距离飞行，可能是在上扑至最高点时合拢翅膀，借助由此形成的气流推动自身前进。

近 50 年来，科学家们一直努力试图验证这种机制，但相比实验室环境下的系留飞行，要量化蝴蝶的自由飞行活动，说起来容易做起来难。通过研究，Johansson 和 Henningsson 获得了新数据，不仅有助于解答蝴蝶飞行机制的问题，还有助于理解如何将其拓展到其他应用。

“通常，我们很难设想基础研究最后会有什么用途，但就这项研究而言，无人机是一个很直接的应用，”Johansson 说，“目前已经有无人机使用扑翼机制产生作用力。我们很期待这类无人机的开发者了解这项研究提出的蝴蝶飞行机制，利用它来提高机翼灵活性，并最大化扑翼的效率和作用力。”

揭秘蝴蝶飞行

研究团队将六只绿豹蛱蝶引入隆德大学的回流风洞，并使用蜂蜜水喂食器引诱这些昆虫起飞。

这个风洞非常特别。它建造之初是用来研究鸟类飞行。

风洞中安装了一台巨大的风扇，以每秒 2 米的速度让气流循环，以防蝴蝶太轻易地飞离测量环境。

团队使用四台高速摄像机录制蝴蝶引起的空气流动，用另外两台摄像机捕捉蝴蝶的运动。

这种流测量技术称为层析粒子图像测速，有助于研究人员创建流体流的三维模型；然后，团队可以研究空气动力学作用力，了解蝴蝶翅膀如何推动它们飞行。研究的焦点是蝴蝶扑翼时带来的气流。

风洞中悬浮着直径大约只有 1 微米的微小气溶胶粒子。当蝴蝶在这些粒子中穿行并达到激光照亮的薄板前方时，高速摄像机会捕捉这些粒子的移动。

团队一共捕捉到 25 个序列，每个序列有一到三次扑翼。

Johansson 说，他们的团队使用 MATLAB® 进行数据分析，其中用到了一个他自己设计的向量分析用户界面，可以研究蝴蝶飞行的流体动力学。

“我们这个领域的研究技术性强、数据计算要求高，目前没有一款现成的软件能够按照我们希望的方式完成所有分析，”Johansson 说，“因此，我们需要自己创建大部分代码。”

“到目前为止，MATLAB 是对我们这个项目最有用的工具。”

—— 隆德大学生物学家 Christoffer Johansson

蝴蝶以大约 2 ms-1 的速度飞行时，在上扑及合拢翅膀过程中产生的推力。（图片所有权：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

“他们使用 MATLAB 将流可视化并绘制试验结果图，”MathWorks 的教育客户成功工程师 Sagar Zade 说。

Johansson 和 Henningsson 还使用 MATLAB 计算空气动力学作用力，确定扑翼的空气动力学功率，并使用蒙特卡罗模拟估计背景功率。

“这些实验结果非常宝贵，今后，研究人员可以在此基础上使用 MATLAB 并结合复杂的纳维-斯托克斯方程进行流体动力学数值建模。”Zade 补充说。

除了测量蝴蝶飞行所带来的射流之外，团队还分析了蝶翼的形态学如何使其在上扑过程中形成杯形，从而改善这些射流。他们使用此数据制作了机械蝶翼，以验证柔性翼及其形成的杯形对扑翼性能的影响。

Johansson 表示，他们制作了两种机械翼，一种是轻木制成的直角三角翼，另一种是乳胶薄膜翼，通过伺服发动机和 Arduino® 板控制。机械翼侧面装有铰链，使其能够旋转和合拢。

柔性薄膜可以在合拢过程中形成杯形，而不易弯曲的轻木则不会，如此一来就可以对比性能，单独研究杯形的作用。

Johansson 说，通过生物学家的风洞试验和实验室的机械翼试验，他们对蝴蝶飞行动力学的认知取得了关键进展，并了解到如何加以重现。

他表示，他们发现，与轻木翼相比，柔性薄膜翼在扑翼过程中的推力和效率要高出 25%。他们还发现，蝶翼的上扑和下扑在飞行中各自发挥着不同作用。

“下扑可以产生垂向力，上扑及合拢则可以产生推力，”Johansson 说，“和大多数飞行一样，垂向力占主导。在蝴蝶的飞行中，垂向力是推力的 9.4 倍。”

柔性翼可以提高扑翼推力和效率。（图片所有权：L. C. Johansson 和 P. Henningsson）

该团队的完整研究成果发表于英国皇家学会期刊《界面》（https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsif.2020.0854）。

Johansson 和 Henningsson 都没有正式学习过 MATLAB，因此，Johansson 表示，软件的便捷性、灵活性和易用性都对他们的研究工作起到了很大帮助。

“到目前为止，MATLAB 是对我们这个项目最有用的工具。”Johansson 说。

飞越蝴蝶

成功揭秘蝴蝶飞行后，Johansson 想要尝试将这一方法更广泛地运用于其他生物的飞行建模，包括鸟类、蝙蝠以及微生物。

早在人类之前，大自然就一直致力于让飞行臻于完美。通过研究这些生物各种各样的飞行方式，工程师们可以构建更加高效、多样的空中无人机甚至是水下无人机。

有朝一日，这些无人机可以为您提供生鲜一日达服务，也可以潜入深海研究海洋生物。

“有人说，蝴蝶掌握了这世间的一切飞行技巧，”Johansson 说，“要验证这一点，并探明不同的条件对这些机制的影响，我们还有大量的研究要做。”