[科普中国]-论悬停技术，蜂鸟我是服气的，但蝙蝠有多努力你知道吗

说起脊椎动物里的悬停高手，大家可能最先想到蜂鸟。它们可以将长长的喙扎进花里，扑棱着翅膀保持身体在半空中纹丝不动，摆出一副定心凝神吃到饱的姿态。

慢镜头下吸食花蜜的蜂鸟 | Lentink Lab, Stanford University

其实，除了蜂鸟，脊椎动物里还有另外一群鲜为人知的悬停高手—— 食蜜蝙蝠 。不同于大多数人心中“吸血鬼”或“捕虫高手”的印象，这类蝙蝠更偏爱甜甜的花蜜。它们会飞到花朵前，把脸埋进花里，快速地伸缩舌头舔食花蜜。 食蜜蝙蝠和蜂鸟一样，饮蜜时能通过扇动翅膀，使身体悬停在花朵旁不动 。

悬停在空中的食蜜蝙蝠 | Glenn Barle

一边是蜂鸟轻盈的羽翼，另一边是蝙蝠薄薄的皮膜。这两种质感和结构完全不同的翅膀，居然能实现相似的悬停效果。那么，它们的发力机制是否相同？哪种翅膀的悬停效果更好、更省能量呢？

悬停高手，各显神通

为了探讨这些问题，来自斯坦福大学的博士生里弗斯·英格索尔 （Rivers Ingersoll） 等人来到了 哥斯达黎加 。这片属于新热带界的土地上，生活着不同种类的蜂鸟和食蜜蝙蝠。研究者们使用 高分辨率空气动力学测力台 （装有3D高速摄像装备） ，对蜂鸟和蝙蝠的悬停行为进行了分析。

研究者们发现，蜂鸟振翅的上下、 前后 幅度十分对称，整个振翅周期，翅膀扭转角度和伸缩幅度也较小，优雅轻松地完成了悬停过程。受力分析图显示，蜂鸟翅膀运动时平均倾斜7°，比较接近水平面，因此获得的净升力几乎垂直于水平面，可以有效地抵消自身重力。

分析蜂鸟振翅时所产生的力 | 参考文献[1]

蜂鸟振翅时所产生的力（放慢100倍）| LentinkLab.

研究者们又给蜂鸟出了点难题：他们改变了花朵的角度。灵动的蜂鸟依然能通过调整身体和头部姿态， 保持翅膀和水平面的夹角基本不变 （因此获得的净升力也基本不减） ，轻松应对不同角度开放的花朵。

蜂鸟通过调整姿态，轻松应对不同角度开放的花朵 | 参考文献[1]

而食蜜蝙蝠的动作显然要夸张许多。由于在抬升翅膀时，来自空气的阻力向下，抬翅获得的升力较少。蝙蝠便 减短了抬翅时间，整个振翅周期也不对称 （有种猛烈抬起又慢慢放下的感觉） 。

分析食蜜蝙蝠振翅时所产生的力 | 参考文献[1]

蝙蝠振翅时所产生的力（放慢100倍）| LentinkLab.

由于拍打翅膀幅度特别大，蝙蝠受到的空气阻力也变大了。聪明的蝙蝠用了两种方法来应对这个问题：

1. 减少阻力。蝙蝠在抬翅时，猛地将翅膀收缩35%（如下图D），减少“扇风”面积，有效降低了向下的阻力。

2. 利用阻力。蝙蝠悬停时，扇翅角度比蜂鸟大得多。因此翅膀在下落期间，受到 斜向 上 的阻力，其中一部分阻力能用来抵消重力，颇有“借力打力”的意味。

其中蓝线为蜂鸟，红线为蝙蝠 | 参考文献[1]

如此看来，在“寻蜜”道路上， 蜂鸟和食蜜蝙蝠选择了完全不同的进化策略 。蜂鸟肢体演化出了专门的功能：前肢（翅膀）用来飞翔，后肢（爪子）用来栖息。而蝙蝠前肢和后肢要同时用来撑开翼膜，这可能是它在抬翅时，获得升力较小的原因。于是它们演化出了更大的翅膀“扇出”更多升力，来减少振翅次数和能量损耗。

总之，蜂鸟在本轮对决中更胜一筹。可怜食蜜蝙蝠这么努力，悬停效率还是没有赶上蜂鸟。

仿生飞行器

人们早就注意到了蜂鸟和蝙蝠的飞行方式，这启发了迷你仿生飞行器的制作。

2011年，美国国防部高级研究计划局投资AeroVironment公司，研发出了 纳米蜂鸟 ：

AeroVironment公司研发的纳米蜂鸟 | 参考文献[2]

这款纳米蜂鸟翼展160毫米，重量还比不上一节5号电池。它能被远程遥控，并配有侦查摄像机，飞行和悬停能力都十分出色。它小巧的身形可以在狭窄空间中穿行， 完成搜索救援、环境监测等工作 。

仿生蝙蝠微型飞行器也很有特色。2017年，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校协作科学研究实验室，研制仿生蝙蝠飞行器：骨架为轻巧的合金材质； 机翼 采用 硅基薄膜 ，与传统覆盖织物相比，硅基薄膜具有更好的折叠、拉伸性能，模拟了蝙蝠翅膀皮膜的特性， 可以适应不同风力环境 。比起庞大、吵闹的重型无人机，这款仿生蝙蝠飞行器在执行任务时，对人们影响会小很多。

仿生蝙蝠微型飞行器的主要结构 | 参考文献[3]

如此看来，斯坦福大学关于蜂鸟和蝙蝠的研究，不仅深度挖掘了两种动物的悬停机制，也为此类仿生飞行器的制作提供了更多思路。

以后的演化道路上，食蜜蝙蝠的悬停效率能否提高，我们不得而知。不过如何提升仿生飞行器的各项性能，就是我们人类可以努力的事情啦。

你还知道哪些仿生飞行器呢？欢迎留言讨论~

作者名片

作者：悲催的铊宝宝

编辑：Yuki

排版：雷颖

题图来源：Wikimedia Commons

参考文献：

[1] R. Ingersoll, L. Haizmann, D. Lentink, Biomechanics of hover performance in Neotropical hummingbirds versus bats. Sci. Adv. 4, eaat2980 (2018).

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/AeroVironment_Nano_Hummingbird

[3] A. Ramezani, S.-J. Chung, S. Hutchinson, A biomimetic robotic platform to study flight specializations of bats. Sci. Robot. 2, eaal2505 (2017).

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