COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗

学时习 2023年9月13日浏览：976

许多人一提到蜘蛛就会感到恐惧，但其实蜘蛛还更有趣，这取决于你对这些八条腿的爬行动物的态度。事实证明，有些蜘蛛可以“漂浮”数百公里，有些甚至会出现在离地面三公里的地方。这些没有翅膀的生物到底是怎么飞起来的呢？来自英国 Bristol 大学的一些研究人员通过仿真和实验帮助我们阐明了这个古老的谜团。

蜘蛛，无处不在的蜘蛛！

Charles Darwin（查尔斯·达尔文）在1831年至1836 年间曾乘坐贝格尔号船舰环游世界。在这艘船上，他作为一名博物学家在日记中写满了对动植物的观察。1832 年的万圣节，达尔文在船的甲板上目睹了一些诡异的现象：数百只细小的浮动眼睛凝视着他。这些眼睛属于一大群蜘蛛。这艘船离海岸不远，达尔文知道这些小流浪者必须要旅行很长一段距离才能上船。达尔文在他的日记中写道：“我抓到了一些至少要走90公里的飞艇驾驶员——蜘蛛。”

2015 年，这种现象又在澳大利亚的南部高原地区发生。据报道，数百万只蜘蛛从天上掉下来。这次大规模的“跳伞事件”导致大量的丝网覆盖地面——看起来像暴风雪袭击了这个地区！

这种奇特的蛛形纲动物行为被称为“热气球飞行”，即蜘蛛爬到一个尖的表面（例如树枝或一片草叶）上，然后腹部朝天，从吐丝器中射出蛛丝并发射到空中。

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图1 大型蜘蛛的飞航观察研究。图片由 Cho M，Neubauer P，Fahrenson C,Rechenberg I 提供。通过Wikimedia Commons共享，获CC BY-SA 4.0许可。

纵观历史，这种蛛形纲动物和其他无脊椎动物表现出的反重力行为一直是引起科学界争议的话题。一些研究人员认为，这种效应是由风引起的，就是风使蜘蛛和它的丝线在陆地和海洋上漂移了数百公里；另一些研究人员却认为，出现这种现象与地球的电场有关。

研究反重力蜘蛛的行为

Bristol大学的研究人员 Erica Morley 和 Daniel Robert 在多物理场实验和仿真的帮助下，对这一现象进行了研究，并在2018 年发表在Current Biology上的一篇论文中分享了他们的研究成果。

“我们验证了这样一种假设：蜘蛛可以探测到与[大气电势梯度]（APG）相关的电场分布（e-fields），并以此带动它们飞行。”

–Erica Morley 和Daniel Rober，Current Biology，2018年

位于地球和电离层之间的大气电势梯度，是大气中持续存在的电场。它的强度和极性会因当地天气条件的变化而变化，并且在雷暴天气中强度最大。大气电势梯度是带负电的地球表面与带正电的电离层相互作用的结果。众所周知，大黄蜂和蜜蜂等昆虫可以探测并利用电场。但在 Morley 和 Robert 研究之前，蜘蛛是否具有相同的电场探测能力仍是一个谜。

地球的大气层和电离层。通过 Wikimedia Commons 在公共领域中的图像。

在讨论他们的实验和仿真工作之前，Morley 和 Robert 首先谈到了围绕风力单独作用于蛛形纲动物飞行的理论解释。

“许多蜘蛛是使用多股展开的扇形丝线飞行的。每条丝线都是分开的，而不是在微风中缠结和蜿蜒，这说明蛛丝上存在静电斥力。”–Erica Morley 和Daniel Robert，Current Biology，2018年

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图3 飞行时的蜘蛛丝示意图。

Morley 和 Robert 还指出，蜘蛛在仅存在非常轻的风（低于 3 ms-1）的情况下就可以飞行，但是模型显示，这种风况的强度不足以使大型蜘蛛飞行。但是，人们已经发现大型蜘蛛也可飞行，这进一步支持了一个假设：即除了风的气动阻力之外，一定有其他因素在起作用。

实验时间

首先，Morley 和 Robert 捕捉了一些成年的 Erigone 蜘蛛（又名金钱蜘蛛），将它们放在了一个大塑料盒（1 m × 1 m × 1 m）中，并将每只蜘蛛小心地放在一个垂直的纸板条上。整个测试在法拉第笼室中进行，这是一个用来屏蔽电磁场的封闭空间。在实验过程中测量的湿度和温度水平分别在 50.5％RH±5.4 和21.2°±0.9 的范围内，许多研究表明蜘蛛通常在低湿度下飞行。

在盒子里时，蜘蛛暴露于电场中，与它们在自然环境中承受的电场类似，并开始表现出一种蜘蛛在飞行之前从未见过的行为：踮起脚尖。就像他们的假设中描述的那样，打开电场时，蜘蛛开始飞行，而当电场被关闭时，蜘蛛停止了反重力的特技飞行。

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图4 金钱蜘蛛通常仅几毫米长，并以其飞行行为而著称。图片由 Mike Hutchinson 提供，由布里斯托尔大学的 D. Robert 提供。

蜘蛛是如何探测电场的？Morley 和Robert 认为，这与蜘蛛的纤细的动力传感毛发（即毛簇）有关。他们认为蜘蛛的毛簇类毛发与帮助大黄蜂探测电场的大黄蜂动力传感毛发类似。在实验过程中，当电场被打开时，蜘蛛的毛簇毛发感知并开始移动，而其他毛发则没有。因此，金钱蜘蛛似乎会探测周围的电场并评估环境是否有利于飞行。研究人员认为，实际上，这些细小的电场感应毛发可能会告诉它们要走到哪里才能找到这样的飞行感应电场。

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图5 蜘蛛的一根毛簇毛发示意图。

基于他们的发现，Morley 和Robert 认为风和电场的结合才是引起蜘蛛飞行的原因。

模拟电场

完成实验后，研究人员开始进行仿真研究。他们使用 COMSOL Multiphysics® 软件进行了有限元分析（FEA），并在实验区域内的树木和电场周围建立了 APF 的有限元模型。

“通过在不稳定的天气中以 1 kV·m-1 或 4 kV·m-1 的电场强度对 APG 进行建模生成APG-树相互作用的模型。在这里，接地电位设置在于 5 m 以下的土壤中，土壤与树木之间有一个电场边界。”–Erica Morley 和Daniel Robert， Current Biology ，2018 年

研究人员将实验场地建立为纸板的起飞点（具有合适的材料特性），并将电势建立为空气上方的板块。就像在实际实验中一样，他们还在起飞点下方模拟了一个水盘。（在实验中，水盘用于防止蜘蛛逃脱）。

在他们的模型中，实验场的表面保持在接地电位，而实验场的顶板被设置为 5000 V （这是他们在物理场实验中使用的最大电压）。

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图6 左：APG 强度为 4kVm-1 的橡树周围电场增强的 FEA 模型。图片由Bristol大学的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右：荷兰的孤橡树。图片由 JürgenEissink 提供。通过Wikimedia Commons共享，获CC BY-SA 4.0 许可。

模拟树及其周围树枝的 APF非常重要，因为蜘蛛通常会在这类表面上飞行。（尖锐的几何形状使得尖锐表面周围的电场最强，这可以解释为什么蜘蛛选择在它们身上表演反重力的技巧。）

COMSOL多物理场仿真：蜘蛛会飞吗的图7 左：FEA 模型突出显示了 APG 强度为 4kVm-1 的尖树枝周围的电场。图片由Bristol大学的 EL Morley 和 D. Robert 提供。右：无叶树枝。图片由 Tiia Monto 提供。通过Wikimedia Commons共享，获CC BY-SA 3.0许可。