論懸停,蜂鳥我是服氣的,但蝙蝠有多努力你知道嗎

2021-02-08 物種日曆

說起脊椎動物裡的懸停高手，大家可能最先想到蜂鳥。它們可以將長長的喙扎進花裡，撲稜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。圖片：Lentink Lab, Stanford University

其實，除了蜂鳥，脊椎動物裡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，把臉埋進花裡，快速地伸縮舌頭舔食花蜜。食蜜蝙蝠和蜂鳥一樣，飲蜜時能通過扇動翅膀，使身體懸停在花朵旁不動。

懸停在空中的食蜜蝙蝠。圖片：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，它們的發力機制是否相同？哪種翅膀的懸停效果更好、更省能量呢？為了探討這些問題，來自史丹福大學的博士生裡弗斯·英格索爾（Rivers Ingersoll）等人來到了哥斯大黎加。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。研究者們使用高解析度空氣動力學測力臺（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，整個振翅周期，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。圖片：R. Ingersoll, et al. / Science advances(2018)

蜂鳥振翅時所產生的力（放慢100倍）。圖片：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。圖片：R. Ingersoll, et al. / Science advances(2018)

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，整個振翅周期也不對稱（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。圖片：R. Ingersoll, et al. / Science advances(2018)

蝙蝠振翅時所產生的力（放慢100倍）。圖片：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「扇風」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。圖片：R. Ingersoll, et al. / Science advances(2018)

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）用來栖息。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。


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。圖片：DARPA

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。圖片：A. Ramezani, et al. / Science Robotics(2017)

如此看來，史丹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制，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。（編輯：Yuki）

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