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對于昆蟲來說，體型越大通常越有利于飛行。因?yàn)槌嵩叫?，與空氣的摩擦越大，空氣摩擦力也越有可能超過由振翅提供的飛行動(dòng)力。這也是蜻蜓能夠高飛而家蠅只能向下俯沖的原因。但有一種比沙粒還要小的甲蟲卻推翻了這種規(guī)律。

這是一種羽翼甲蟲（featherwing beetle），身長不足半毫米，體型比一些單細(xì)胞的變形蟲還要小，屬于纓甲科（Ptiliidae）。對于這種微型昆蟲，空氣理應(yīng)變得像糖漿一樣黏稠，科學(xué)家也曾經(jīng)認(rèn)為它們只是隨風(fēng)飄蕩。但一項(xiàng)發(fā)表于《自然》（Nature）的研究提出了不一樣的觀點(diǎn)，并展現(xiàn)出這些微型甲蟲是如何用輕盈的后翅追上體型是它們3倍的物種的。

正如羽翼甲蟲的名字，這種甲蟲擁有像羽毛一樣的后翅——狹長且有纓狀長毛，因而被稱作纓翅。不過，昆蟲中常見的翅是膜翅。即使是在寄生蜂等昆蟲的體型縮小后，它們也演化出了典型的膜翅。但事實(shí)上，相比于同等大小的膜翅，纓翅更輕盈，與空氣之間的摩擦更小，也更有助于產(chǎn)生推動(dòng)昆蟲飛行的升力。這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)，羽翼甲蟲非凡的飛行能力依靠的是一種前所未見的策略。

2017年，研究團(tuán)隊(duì)在越南叢林的真菌中采集到了這種羽翼甲蟲。為了記錄這種甲蟲在微觀尺度下的飛行模式，研究人員將它們置于一個(gè)透明腔內(nèi)，并使用兩臺高速攝像機(jī)以每秒4000幀的速度拍攝。根據(jù)記錄的圖像，他們構(gòu)建出包括纓翅在內(nèi)的甲蟲身體部位的3D模型，并借此計(jì)算了這種甲蟲在飛行時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)過程。

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研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，羽翼甲蟲并不是上下振翅，而是呈8字型振翅。俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)研究院的物理學(xué)家德米特里·科洛緬斯基（Dmitry Kolomenskiy，這項(xiàng)研究的共同作者）主要研究流體力學(xué)，他評價(jià)這種振翅的方式“非同尋?！?。這種甲蟲的一對纓翅會先從保護(hù)它們的鞘翅（硬化的前翅，覆蓋在后翅上）中展開，然后同時(shí)拍打身體的前側(cè)和后側(cè)。值得一提的是，這對纓翅的動(dòng)作互為鏡像。科洛緬斯基說，這讓人聯(lián)想到難度極高的泳姿——蝶泳。

羽翼甲蟲的飛行模式與游泳的相似之處引起了阿爾溫德·桑塔納克里希南（Arvind Santhanakrishnan，未參與這項(xiàng)研究）的興趣。桑塔納克里希南是美國俄克拉何馬州立大學(xué)的機(jī)械工程師，主要研究有關(guān)微型昆蟲的空氣動(dòng)力學(xué)?！斑@種類型的運(yùn)動(dòng)方式常見于小型甲殼水生生物，比如水蚤，”桑塔納克里希南說，“因此，這種微型甲蟲也用類似的方式制造升力令人相當(dāng)驚訝?！?/p>

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科洛緬斯基和同事表示，這項(xiàng)研究或許能啟發(fā)工程師設(shè)計(jì)微型飛行結(jié)構(gòu)。不過，科洛緬斯基也指出，要想讓無人機(jī)接近這種微型甲蟲的尺寸可能需要重大的工程學(xué)突破。他說：“可能做不到像它們這么小，但這也值得探索。”未來，科洛緬斯基和同事希望能闡明其他微型昆蟲的飛行模式。

撰文：杰克· 塔米西亞 (Jack Tamisiea)

翻譯：董子晨曦

審校：王昱

引進(jìn)來源：科學(xué)美國人

本文來自：中國數(shù)字科技館