文｜胡立德

作者系美國佐治亞理工學院機械工程助理教授、2015年菠蘿物理獎獲得者。

2015年的菠蘿物理獎頒給了美國佐治亞理工學院胡立德教授團隊，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了蚊子不會被雨滴砸死的訣竅 。那么，蚊子為什么能毫發(fā)無損地穿越高速飛落的“汽車雨”呢？

漫漫細雨對我們來說，常常是浪漫而愜意的象征，可你有沒有想過，對體積微小的昆蟲，譬如蚊子來說，雨中漫步簡直就是一場災難大片。

一般來說，一滴雨珠的重量可以達到蚊子體重的50倍之多，我們口中的“毛毛雨”， 對蚊子而言完全不下于一輛輛甲殼蟲汽車從天而降！可惜的是，在如此漫天高速飛落的“甲殼蟲汽車雨”中，蚊子卻依然能夠嗡嗡作響而毫發(fā)無損。

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，美國佐治亞理工學院的研究團隊與美國疾病控制中心合作，對雨中飛舞的蚊子進行了高速攝像，以便仔細觀察蚊子被雨滴擊中瞬間的行為。

圖A展示了實驗用的模擬雨滴與蚊子的相對大?。粓DB為實驗裝置示意圖；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)身翻滾動作”讓雨滴從身側(cè)滑落。（作者供圖）

實際上，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始加速并準確“擊中”蚊子簡直是不可能的任務(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)以百計的蚊子裝入一個細高的透明容器中，從容器頂端用高速噴頭向蚊群發(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，由于蚊子與雨滴在瞬息之間便擦身而過，如何讓實驗設(shè)備自動而準確地捕捉這一瞬間，便成了另一個亟需解決的問題。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”，當雨滴穿過激光線時，便觸發(fā)高速相機開始以每秒4000幀的速度拍攝，從而詳細記錄蚊子與雨滴相互作用中的每一個動作。

“以柔克剛”的求生秘籍

通過拍攝下的高速視頻，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的距離。他們發(fā)現(xiàn)，蚊子不像人們可能推測的那樣能夠躲避雨滴，但被雨滴擊中的蚊子也不會受到?jīng)_擊帶來的傷害。

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，蚊子被雨滴擊中時并不抵擋雨滴，而是與雨滴融為一體，順應雨滴的趨勢落下。當雨滴擊中蚊子翅膀或腿部時，蚊子會向擊中的那一側(cè)傾斜，并通過高達50度的高難度“側(cè)身翻滾動作”讓雨滴從身側(cè)滑落。而當雨滴直接擊中蚊子身體時，蚊子先順應雨水強大的推力與之一同下落，隨之迅速側(cè)向微調(diào)與雨滴分離并恢復飛行。

研究小組發(fā)現(xiàn)，若是雨滴擊中蚊子時，蚊子棲息于無法移動的地面上，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。而當蚊子在空中被擊中并采用“不抵抗”策略時，蚊子受到的沖擊力就減小為自重的50～300倍，只相當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，雖說蚊子看似柔弱如風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，在與雨水碰撞的過程中，雨滴幾乎沒有減速，動能并未轉(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的巨大沖擊。這就像是“以柔克剛”，從而達到“四兩撥千斤”的效果——想不到小小蚊子，居然個個都是太極高手！

除了避免沖擊帶來的傷害外，蚊子雨中求生的另一秘訣是它們疏水性的細毛。覆滿防水細毛的身體，使得蚊子在隨著雨滴下落的過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，在雨滴將它們砸落地面造成致命傷害前逃出生天。

這一發(fā)現(xiàn)目前已發(fā)表在《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，并引起了廣泛關(guān)注。事實上，這項研究不只是跟蚊子有關(guān)。在對自然界的應對之道上，動物往往有著比我們更豐富的經(jīng)驗，并在千萬年的進化過程中發(fā)展出適合它們生存環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能。研究和模擬這些動物應對大自然的特殊本領(lǐng)，可以為科學家和工程師提供新的設(shè)計思想，解決機械技術(shù)上的很多難題——比如，如何更好地設(shè)計微型飛行器，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——微型飛行器

從飛機誕生至今的百余年航空發(fā)展史中，個頭最大、體積最大、載重量最大的飛機當屬蘇聯(lián)的“安225”。它的翼展約88米，機長84米，是名副其實的空中“巨無霸”。至于世界上個頭最小的、可飛行的飛機，則只有1枚硬幣那么大，如美國哈佛大學的撲翼微型飛行器——“機器蜂”、中國同濟大學的“昆蟲動力飛機”，其重量均僅為數(shù)百微克。

科學家們普遍認為，尺寸為15 厘米大小、能靠其自身能力飛行并完成各種探測任務(wù)的飛行器，可以稱為微型飛行器。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的“黑寡婦”和“微星”。

“黑寡婦”是美國1998年研制的一種固定翼微型飛行器，外型類似于盤狀飛碟，最大直徑為15厘米，留空時間為16分鐘，最大飛行速度為70千米/小時?！拔⑿恰睅缀鹾汀昂诠褘D”同時研發(fā)成功，由洛克希德·馬丁公司設(shè)計生產(chǎn)，總重僅為85 克，留空時間為20分鐘，未來將具備GPS 導航定位系統(tǒng)和攝像功能，設(shè)計者希望將其打造為戰(zhàn)場上前所未有的高效偵察工具。

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

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)點是：能垂直起降和懸停，適宜在狹小空間或復雜地形環(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)動機為動力，燃油重132克。這種飛行器上部裝旋翼，下部裝照相機，采用GPS自動駕駛，可以垂直起降和旋停，留空時間至少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行器是一個厘米級大小的飛行器，其機身為16×16平方厘米的方形框架，有4個螺旋槳，螺旋槳直徑為15毫米，厚度僅為0.08毫米，每個螺旋槳由直徑為3毫米、重325毫克的微型電機驅(qū)動。

最近，由哈佛大學的科研人員歷時12年研制成功了世界上最小、最輕且可按預設(shè)路徑飛行的微型撲翼飛行器“機器蜂”。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。它融入了當今的諸多先進成果，稱得上是人類模仿大自然道路上的巨大跨越。