「新浪科技综合」论悬停技术，蜂鸟我是服气的，但蝙蝠有多努力你知道吗新浪科技综合2020-07-10 18:03:040阅
来源：我是科学家iScientist
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 。
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图1/11慢镜头下吸食花蜜的蜂鸟其实 ， 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 。
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图2/11悬停在空中的食蜜蝙蝠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 。
【「新浪科技综合」论悬停技术，蜂鸟我是服气的，但蝙蝠有多努力你知道吗新浪科技综合2020-07-10 18:03:040阅】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 。
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图3/11分析蜂鸟振翅时所产生的力
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图4/11蜂鸟振翅时所产生的力（放慢100倍）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 。
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图5/11蜂鸟通过调整姿态 ， 轻松应对不同角度开放的花朵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） 。
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图6/11分析食蜜蝙蝠振翅时所产生的力
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图7/11蝙蝠振翅时所产生的力（放慢100倍）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 。
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图8/11其中蓝线为蜂鸟 ， 红线为蝙蝠如此看来 ， 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：
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图9/11AeroVironment公司研发的纳米蜂鸟这款纳米蜂鸟翼展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 。
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