原文作者：Jim Usherwood
任何折過紙飛機的人應該都有過這種無奈：紙飛機剛一飛出去便不受控地旋轉，最後衝向地面，可見滑翔時要保持平衡和穩定有多難。但是，不知道為什麼，擺動的飛蛇卻能在滑翔時不「翻車」。
要實現穩定滑翔，我們應該向誰學習呢？向飛行的箇中好手信天翁、雨燕或獵鷹取取經？是個辦法，但獵鷹或貓頭鷹這樣的滑行高手看起來好像非常不穩定[1]——至少從標準的工程學上說是這樣，這一定程度上是因為對阻力最小的要求會發生衝突[2]。但這似乎對鳥類沒什麼影響，因為它們非常擅於快速感知、處理和行動。我們還可以參考在零反饋和控制下能穩定滑翔的植物種子；但這些種子的特點是它們擁有很大的專屬空氣動力學表面，無論是作為平移或自動旋轉的翼面，還是作為「傘降」時的羽翼。還有一個借鑑對象可能會讓人感到意外，它正是Isaac Yeaton及其合著者的研究對象——飛蛇。研究團隊在《自然-物理》上發表了論文[3]，研究了這種蛇如何在滑翔中實現某種形式的「功能」穩定性——目前還沒有一個更好的詞來描述它。
乍看之下，這些動物的滑翔表現令人震驚。有些人可能會將水平夾角45°作為區分滑翔和傘降的界限。從離地八米處自己飛出的蛇只能水平移動三到四米，相當於滑翔角度為65°左右，或是垂直夾角25°。考慮到蛇的「裝備」，這樣的成績可能不算太糟：雖然有點平，但它們沒有翅膀，沒有舵，也沒有平衡器。它們的表現完全可以比這更差。這些蛇既有可能頭部先著地，也有可能翻滾著從任何方向著陸（圖1）。
圖1 | 飛蛇的擺動。簡單的擺動動作能讓飛蛇實現無翻滾滑翔。
由此引發了飛蛇是如何在滑翔中實現「功能」穩定性的問題。為了找到答案，Yeaton與合著者對飛蛇進行了測量和模擬，極大地增加了這兩方面的複雜性。作者利用運動與臨床生物力學領域常用的動作捕捉技術得到了飛蛇的三維動力學數據，對蛇的運動進行分析，並將其簡化到一系列水平和垂直波動，從而能用兩個術語描述觀察和未觀察到的各類體形，以及由於行波在空中產生蛇形曲線而引起的體形變化。
無論是在沙子或樹幹上，還是在水裡或飛行中，蛇在移動時都會左右擺動。Yeaton與合著者懷疑這種擺動可能對蛇起到了一種明確的、提高滑翔表現的作用。他們的研究目標是探索擺動能否為飛蛇提供一定程度的穩定性，他們想知道擺動是否僅僅是一種「行為上的殘留」。
空氣動力學領域有著各式各樣的形式穩定性分析，但基本構成主要局限於剛性物體，這讓研究人員很難想像如何將這些考量因素沿用到不斷擺動的蛇的身上。這就需要建模和模擬。雖然傳統的穩定性術語在這裡不適用，但是，蛇水平滑行的距離越遠——同時不翻滾、跌落或「偏航」——顯然意味著更好。
為了演示身體擺動的效果，就需要評估合適的反事實選項。擺動的滑翔表現比不擺動更好嗎？要回答這個問題需要一個模型——不僅能理解觀察到的策略的效果，還能玩一個「假如...會怎樣」的遊戲，評估沒有觀察到的策略會產生哪些結果。
Yeaton與合著者開發的模擬基於簡單的葉素分析，同時結合了蛇身體周圍的空氣動力學與慣性作用。不過，追蹤與不斷移動的空中蛇形曲線相關的幾何圖形以及入射氣流速度，讓這個過程變得較為複雜。一般而言，包含擺動的滑翔模擬比沒有擺動的任何模擬表現得都好，即使這些模擬的體形只是觀測到體形的快照。模擬的擺動滑翔接近於在真實飛蛇上測到的滑翔距離，而無擺動的模擬只是垂直下落，而且更容易發生翻滾。
Yeaton與合著者的研究留下了一些未解的問題。比如滑翔時的擺動是為了保持穩定嗎？抑或是蛇運動的一種行為殘留而已？這很可能是個偽二分法：說不定兩個都是對的。但從轉動和姿勢的細節來看，一條蛇要在不擺動的情況下實現良好穩定的滑翔表現，也不是完全不可能。但是，這肯定不是這些蛇實際的飛行方式，因此，費力尋找這種反事實可能性的意義不大。
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一直以來，解讀動物為何會演化出特定的外形和行為，尤其涉及到穩定性時，都需要保持謹慎。考慮到鳥類滑翔看起來具有高度的被動不穩定性，也許被動不穩定不應被看作是不自然或是不好的適應結果。單單指出特定蛇的滑翔策略是不穩定的，並不足以表明這不是好策略：如果你能定格住貓頭鷹某個真實的滑翔姿勢，你會發現這隻貓頭鷹在被扔出去時是無法實現穩定滑翔的。
但Yeaton與合著者成功演示了功能穩定性可以利用蛇形身體的擺動來實現，而且這種穩定擺動的風格和體形與在真實飛蛇身上觀測到的幾乎一致。即使沒有快速感知、處理和行動，也能在沒有專門穩定性和控制表面的情況下，通過前饋運動控制啟發實現基本穩定的滑翔。以上研究結果的普適性以及它們在機器飛蛇上的潛在應用帶來了令人激動的探索前景。
參考文獻：
1. Durston, N. E. Quantifying the Flight Stability of Free-Gliding Birds of Prey. PhD Thesis, Univ. Bristol (2019); https://go.nature.com/2BEXZ8U
2. Usherwood, J. R. et al. J. Exp. Biol.223, 214809 (2020).
3. Yeaton, I. et al. Nat. Phys. https://doi.org/10.1038/s41567-020-0935-4 (2020).
原文以Stable gliding by undulating snakes為標題發表在 2020年12月2日的《自然》的新聞和觀點板塊上© nature doi: 10.1038/s41567-020-0959-9點擊閱讀原文查看英文原文
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