文｜胡立德

作者系美國(guó)佐治亞理工學(xué)院機(jī)械工程助理教授、2015年菠蘿物理獎(jiǎng)獲得者。

2015年的菠蘿物理獎(jiǎng)?lì)C給了美國(guó)佐治亞理工學(xué)院胡立德教授團(tuán)隊(duì)，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了蚊子不會(huì)被雨滴砸死的訣竅 。那么，蚊子為什么能毫發(fā)無(wú)損地穿越高速飛落的“汽車(chē)雨”呢？

漫漫細(xì)雨對(duì)我們來(lái)說(shuō)，常常是浪漫而愜意的象征，可你有沒(méi)有想過(guò)，對(duì)體積微小的昆蟲(chóng)，譬如蚊子來(lái)說(shuō)，雨中漫步簡(jiǎn)直就是一場(chǎng)災(zāi)難大片。

一般來(lái)說(shuō)，一滴雨珠的重量可以達(dá)到蚊子體重的50倍之多，我們口中的“毛毛雨”， 對(duì)蚊子而言完全不下于一輛輛甲殼蟲(chóng)汽車(chē)從天而降！可惜的是，在如此漫天高速飛落的“甲殼蟲(chóng)汽車(chē)雨”中，蚊子卻依然能夠嗡嗡作響而毫發(fā)無(wú)損。

是什么賦予了蚊子如此神通？

模擬蚊子的“雨中飛行”

為了破解這一謎題，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)與美國(guó)疾病控制中心合作，對(duì)雨中飛舞的蚊子進(jìn)行了高速攝像，以便仔細(xì)觀察蚊子被雨滴擊中瞬間的行為。

圖A展示了實(shí)驗(yàn)用的模擬雨滴與蚊子的相對(duì)大?。粓DB為實(shí)驗(yàn)裝置示意圖；圖C和圖D是視頻中的一系列截圖，顯示了蚊子被雨滴擊中后迅速作出高難度的“側(cè)身翻滾動(dòng)作”讓雨滴從身側(cè)滑落。（作者供圖）

實(shí)際上，這可不是一件容易的事情：首先，要從幾米高的距離外讓雨滴開(kāi)始加速并準(zhǔn)確“擊中”蚊子簡(jiǎn)直是不可能的任務(wù)，“守株待兔”地等蚊子被“人工降雨”擊中的概率也微乎其微。

于是，研究員們采用了“水槍打蚊群”的策略，將數(shù)以百計(jì)的蚊子裝入一個(gè)細(xì)高的透明容器中，從容器頂端用高速?lài)婎^向蚊群發(fā)射與自然界中雨滴速度相仿（大約9米/秒 ）的“模擬雨滴”，以增加蚊子被“雨滴”擊中的概率。

同時(shí)，由于蚊子與雨滴在瞬息之間便擦身而過(guò)，如何讓實(shí)驗(yàn)設(shè)備自動(dòng)而準(zhǔn)確地捕捉這一瞬間，便成了另一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。研究員們想出的辦法是，在蚊子飛行高度的上方設(shè)置一道“激光封鎖線”，當(dāng)雨滴穿過(guò)激光線時(shí)，便觸發(fā)高速相機(jī)開(kāi)始以每秒4000幀的速度拍攝，從而詳細(xì)記錄蚊子與雨滴相互作用中的每一個(gè)動(dòng)作。

“以柔克剛”的求生秘籍

通過(guò)拍攝下的高速視頻，研究小組分析并歸納出雨滴擊中蚊子不同部位的各種情況，計(jì)算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬間所受的作用力，以及其后隨雨滴向下移動(dòng)的距離。他們發(fā)現(xiàn)，蚊子不像人們可能推測(cè)的那樣能夠躲避雨滴，但被雨滴擊中的蚊子也不會(huì)受到?jīng)_擊帶來(lái)的傷害。

蚊子的秘訣，在于它們的體重極輕。研究小組拍攝的高速視頻顯示，蚊子被雨滴擊中時(shí)并不抵擋雨滴，而是與雨滴融為一體，順應(yīng)雨滴的趨勢(shì)落下。當(dāng)雨滴擊中蚊子翅膀或腿部時(shí)，蚊子會(huì)向擊中的那一側(cè)傾斜，并通過(guò)高達(dá)50度的高難度“側(cè)身翻滾動(dòng)作”讓雨滴從身側(cè)滑落。而當(dāng)雨滴直接擊中蚊子身體時(shí)，蚊子先順應(yīng)雨水強(qiáng)大的推力與之一同下落，隨之迅速側(cè)向微調(diào)與雨滴分離并恢復(fù)飛行。

研究小組發(fā)現(xiàn)，若是雨滴擊中蚊子時(shí)，蚊子棲息于無(wú)法移動(dòng)的地面上，雨滴的速度將瞬間減小為0，并施加等同于蚊子體重10000倍的力在蚊子身上，足以使其致命。而當(dāng)蚊子在空中被擊中并采用“不抵抗”策略時(shí)，蚊子受到的沖擊力就減小為自重的50～300倍，只相當(dāng)于在蚊子身上壓了一根羽毛——這是蚊子所能夠承受的。兩者之間的區(qū)別，就如同“一拳打在鋼板上”和“一拳打在棉花上”。

因此，雖說(shuō)蚊子看似柔弱如風(fēng)中浮萍被雨滴砸得搖晃不定，但正是由于蚊子的重量微不可記，在與雨水碰撞的過(guò)程中，雨滴幾乎沒(méi)有減速，動(dòng)能并未轉(zhuǎn)化為其它形式的能量擊打在蚊子身上，而是讓蚊子瞬間加速，從而化解了高速下降的雨滴帶來(lái)的巨大沖擊。這就像是“以柔克剛”，從而達(dá)到“四兩撥千斤”的效果——想不到小小蚊子，居然個(gè)個(gè)都是太極高手！

除了避免沖擊帶來(lái)的傷害外，蚊子雨中求生的另一秘訣是它們疏水性的細(xì)毛。覆滿防水細(xì)毛的身體，使得蚊子在隨著雨滴下落的過(guò)程中與雨滴保持分隔狀態(tài)，從而能夠迅速擺脫雨滴重新飛起，在雨滴將它們?cè)衣涞孛嬖斐芍旅鼈η疤映錾臁?/p>

這一發(fā)現(xiàn)目前已發(fā)表在《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，并引起了廣泛關(guān)注。事實(shí)上，這項(xiàng)研究不只是跟蚊子有關(guān)。在對(duì)自然界的應(yīng)對(duì)之道上，動(dòng)物往往有著比我們更豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在千萬(wàn)年的進(jìn)化過(guò)程中發(fā)展出適合它們生存環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能。研究和模擬這些動(dòng)物應(yīng)對(duì)大自然的特殊本領(lǐng)，可以為科學(xué)家和工程師提供新的設(shè)計(jì)思想，解決機(jī)械技術(shù)上的很多難題——比如，如何更好地設(shè)計(jì)微型飛行器，讓它們能夠像蚊子一樣，在雨中輕盈地翱翔。

延伸閱讀

人造昆蟲(chóng)——微型飛行器

從飛機(jī)誕生至今的百余年航空發(fā)展史中，個(gè)頭最大、體積最大、載重量最大的飛機(jī)當(dāng)屬蘇聯(lián)的“安225”。它的翼展約88米，機(jī)長(zhǎng)84米，是名副其實(shí)的空中“巨無(wú)霸”。至于世界上個(gè)頭最小的、可飛行的飛機(jī)，則只有1枚硬幣那么大，如美國(guó)哈佛大學(xué)的撲翼微型飛行器——“機(jī)器蜂”、中國(guó)同濟(jì)大學(xué)的“昆蟲(chóng)動(dòng)力飛機(jī)”，其重量均僅為數(shù)百微克。

科學(xué)家們普遍認(rèn)為，尺寸為15 厘米大小、能靠其自身能力飛行并完成各種探測(cè)任務(wù)的飛行器，可以稱(chēng)為微型飛行器。早期的微型飛行器均采用固定翼模式。其中最高水平的代表是美國(guó)的“黑寡婦”和“微星”。

“黑寡婦”是美國(guó)1998年研制的一種固定翼微型飛行器，外型類(lèi)似于盤(pán)狀飛碟，最大直徑為15厘米，留空時(shí)間為16分鐘，最大飛行速度為70千米/小時(shí)。“微星”幾乎和“黑寡婦”同時(shí)研發(fā)成功，由洛克希德·馬丁公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，總重僅為85 克，留空時(shí)間為20分鐘，未來(lái)將具備GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)和攝像功能，設(shè)計(jì)者希望將其打造為戰(zhàn)場(chǎng)上前所未有的高效偵察工具。

近年來(lái)，微型撲翼飛行器的研究也取得了一定成果，比如美國(guó)加州技術(shù)學(xué)院研制的“微型蝙蝠”和斯坦福研究中心研制的“領(lǐng)路人”。“微型蝙蝠”是最早的微型電動(dòng)撲翼飛行器之一，目前已發(fā)展到第四代樣機(jī)，該機(jī)以鋰離子電池為動(dòng)力，重11.5克，最大尺寸為20.3厘米，飛行方式為無(wú)線電遙控飛行，最大續(xù)航時(shí)間為6分17秒?！邦I(lǐng)路人”微型撲翼飛行器重50克，有4片機(jī)翼，以電致伸縮聚合體人造肌肉為動(dòng)力。

除了固定翼和撲翼模式外，旋翼也是微型飛行器的重要發(fā)展方向之一。微型旋翼飛行器與微型固定翼飛行器相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是：能垂直起降和懸停，適宜在狹小空間或復(fù)雜地形環(huán)境中使用。微型旋翼飛行器的典型代表是洛克尼克公司研制的“科里布里”和斯坦福大學(xué)研制的“麥斯考普特”?！翱评锊祭铩蔽⑿托盹w行器的基本尺寸為10厘米，重316克，采用重37克的微型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，燃油重132克。這種飛行器上部裝旋翼，下部裝照相機(jī)，采用GPS自動(dòng)駕駛，可以垂直起降和旋停，留空時(shí)間至少30分鐘，可攜帶大約100克的設(shè)備?！胞溗箍计仗亍蔽⑿托盹w行器是一個(gè)厘米級(jí)大小的飛行器，其機(jī)身為16×16平方厘米的方形框架，有4個(gè)螺旋槳，螺旋槳直徑為15毫米，厚度僅為0.08毫米，每個(gè)螺旋槳由直徑為3毫米、重325毫克的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

最近，由哈佛大學(xué)的科研人員歷時(shí)12年研制成功了世界上最小、最輕且可按預(yù)設(shè)路徑飛行的微型撲翼飛行器“機(jī)器蜂”。這是一架將尺寸做到了極致的微型撲翼飛行器，只有指甲蓋大小，重僅0.1克。它融入了當(dāng)今的諸多先進(jìn)成果，稱(chēng)得上是人類(lèi)模仿大自然道路上的巨大跨越。