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摘要：从鉴赏描写蜻蜓的古代诗词入手，介绍了蜻蜓这种经过亿万年进化昆虫的神奇流体力学特性。重点介绍了蜻蜓的复眼、蜻蜓翅膀消除振颤、蜻蜓表皮的超疏水与鳞片减阻、蜻蜓幼虫的喷水推进等力学特性及其对工程技术发展的重要启示，同时介绍了蜻蜓机器人的发展现状。 关键词：蜻蜓，复眼，机翼振颤，超疏水，蜻蜓机器人 一、蜻蜓是诗人和画家笔下永恒的主题 碧玉眼睛云母翅，轻于粉蝶瘦于蜂。 坐来迎拂波光久，岂是殷勤为蓼丛。 这是晚唐五代诗人韩偓（约842年-923年）写的《蜻蜓》，在这首诗中，经过诗人的生花妙笔，蜻蜓眼似碧玉、翅如云母，比蝶更轻盈、比蜂更苗条的优雅形象呼之欲出，将夏日雨前低飞在波光粼粼的水面上的蜻蜓那纤小灵动的姿态描写得活灵活现、生动传神。 泉眼无声惜细流，树阴照水爱晴柔。 小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头。 这首《小池》是宋朝诗人杨万里（1127年-1206年）所作的一首家喻户晓，脍炙人口的小诗。在这首诗里，诗人通过对初夏荷塘明媚风光入细入微的观察，运用丰富新颖的想象和拟人的手法，生动地描绘出小蜻蜓与尖尖的嫩荷叶相依相偎的交融情景（图1），生灵活现地刻画了小池的勃勃生机，非常生动地反映了蜻蜓、自然与人构成的一组诗情画意。表现出诗人对大自然景物的热爱之情。 图1 小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上头 自古以来蜻蜓就常被诗人用以描写恬静宜人的美好景色，借以抒发细腻的情感，唐朝诗圣杜甫（712年-770年）是描写蜻蜓最多的诗人。 《曲江》其二（唐）杜甫 朝回日日典春衣，每日江头尽醉归。 酒债寻常行处有，人生七十古来稀。 穿花蛱蝶深深见，点水蜻蜓款款飞。 传语风光共流转，暂时相赏莫相违。 这首诗写出了诗人在“朝回日日典春衣，酒债寻常行处有”的穷困潦倒境况下，仍然对明媚春光无比的眷恋和热爱之情。 《重过何氏》（唐）杜甫 落日平台上，春风啜茗时。 石阑斜点笔，桐叶坐题诗。 翡翠鸣衣桁，蜻蜓立钓丝。 自今幽兴熟，来往亦无期。 这首诗描写一个春日的傍晚，作者在平台上饮茶。兴致来时，便倚着石阑在桐叶上题起诗来。旁边还有翡翠鸟，蜻蜓与之作伴。此情此景，简直可以绘成一幅雅致的“饮茶题诗图”。 《卜居》（唐）杜甫 浣花流水水西头，主人为卜林塘幽。 已知出郭少尘事，更有澄江销客愁。 无数蜻蜓齐上下，一双鸂鶒对沉浮。 东行万里堪乘兴，须向山阴上小舟。 杜甫化用了《楚辞·卜居》中的名句：“将氾氾若水中之凫乎？与波上下偷以全吾躯乎？”，描写了杜甫远离官场，淡泊名利，不随波逐流，虽隐没乡野，反倒有了难得的自由与闲适，享受平淡而又丰富多彩的人生意境。 《风雨看舟前落花，戏为新句》（唐）杜甫 江上人家桃树枝，春寒细雨出疏篱。 影遭碧水潜勾引，风妒红花却倒吹。 吹花困癫傍舟楫，水光风力俱相怯。 赤憎轻薄遮入怀，珍重分明不来接。 湿久飞迟半日高，萦沙惹草细于毛。 蜜蜂蝴蝶生情性，偷眼蜻蜓避百劳。 这是杜甫在去世前几个月所作，诗人借桃花衰落投影自己。“偷眼蜻蜓”也因为害怕被百劳鸟吃掉，避而飞去，不来亲近桃花。暗喻杜甫晚年究困潦倒，四处漂泊，少有人真正同情他，但诗人始终保持自己高尚、纯洁的人格，这些都和诗中的桃花有相似之处。 二、蜻蜓也是许多美术作品的主题 蜻蜓也是许多美术作品的主题，元代画家王振鹏在《咏蜻蜓》一诗中这样赞美蜻蜓：“伶爪细腰肩舞纱，英姿交织混沌天。疏影清潭轻点水，更立剑尖若等闲。”赞美蜻蜓不仅有着轻灵的英姿，而且有着卓尔不凡的气质与禀性，“更立剑尖若等闲”——不仅优雅，而且高贵。 著名国画大师齐白石(1864年-1957年)是画蜻蜓最多的画家。他一生画了上万只蜻蜓，他笔下的蜻蜓生动传神，赋予了鲜活的艺术感染力。 图2 齐白石87岁所作《荷花蜻蜓图》 张大千（1899年-1983年）、吴冠中（1919年-2010年）等名家也都颇爱画蜻蜓。 图3 张大千《荷花图》(引自网络) 图4 吴冠中1968年所作《红蜻蜓》(引自网络) 三、蜻蜓身上的力学奥秘 蜻蜓不仅是诗人和画家笔下永恒的主题，作为地球上最古老的物种之一，经过亿万年的自然进化和演变，蜻蜓身上隐藏着数不清的科学奥秘，等待着人们去探索和发现。 3.1 蜻蜓的眼睛 蜻蜓是世界上眼睛最多的昆虫。蜻蜓的眼睛又大又鼓，占据着头的绝大部分，且每只眼睛又有数不清的“小眼睛”构成，所以称为“复眼”（图5）。它的复眼中一共有20000至28000只左右的小眼睛，是一般昆虫复眼的10倍。这些“小眼”都与感光细胞和神经连着，每一只小眼睛都像一架微型照相机，周围的物体不断被摄入，形成感光图像，从而可以快速识别物体的形状和大小。复眼的弧形表面可照顾到各个方向，加之蜻蜓的大脑袋能灵活转动，使蜻蜓的视野非常开阔，能向上、向下、向前、向后看而不必转头，即使目前最先进的拍摄系统也不如蜻蜓的眼睛。复眼除了能感受到物象外，还能测速，当物体在复眼前移动时，每一小眼依次产生出反应，经过神经传导与合成加工，根据连续出现于小眼中的形象和时间，确定出目标物体的运动速度。但具体蜻蜓是如何将这些“小眼”扑捉到的感光信息经过神经传导与合成，快速识别物体的，至今还是神经科学的一个谜。 人们模仿蜻蜓的复眼结构，发明了相机的多彩镜（也叫多棱镜）技术，研制出了复眼相机，多棱镜的每个平面能把被摄影体折射出一个影像，从而用一个相机能拍摄出从多个角度拍摄的立体合成效果。但多棱镜一般只能拍摄3--8个影像，比蜻蜓的眼睛还差得远。用这样的相机，可以观察水中移动物体的三维速度。 图5 用复眼相机拍摄的蜻蜓复眼结构 3.2 蜻蜓的翅膀 经过亿万年的进化演变，蜻蜓的翅膀形成了独特的结构和特性，蜻蜓的前翅和后翅可以分别摆动，两对翅膀以不同周率，一上一下地振动飞行，这种能力让它可以用在空中划出一个8字，亦可作出静止、旋转、前进、退后的飞行动作，即使目前最先进的飞行器，也不如蜻蜓能够灵活机动地飞行。 蜻蜓的每一片翅膀前缘的上方，都有一块加厚的深色角质层——翼眼（图6），这就是它们消除颤振隐患的特殊装置。蜻蜓倘若去掉翼眼虽说不会丧失飞行能力，却会影响翅膀振动的正确性，使它们的飞行变得像“醉汉”似地摇摇晃晃，飘来荡去。人们由此得到启发，于是一项防止机翼颤振的发明问世了，即在飞机的机翼尽端的前缘部位，操作面上，设置一个加重装置，有害的机翼振动便消除了（图7）。这项发明不仅用在飞机的机翼上，还可以用于消除风力发电机叶片的振颤。 图6 蜻蜓翅膀上的翼眼 图7 机翼操纵面上抑制振颤的配重装置（a）集中式（b）分散式 1—操纵面； 2—配重；3—尾翼 3.3 蜻蜓的身体 蜻蜓的身体表面的上表皮层由表皮质层、蜡层和护蜡层组成，具有自清洁的功能，使得身体不沾灰尘，雨水也不会浸湿（图8）。在表皮下有特化细胞组成的鳞片结构，具有很好的空气动力学性能，使蜻蜓身体表面的空气流动处于层流状态，流动稳定，摩擦阻力很小。但是这些鳞片的结构是如何与气流相互作用的，仍然是流体力学的前沿课题。实验表明，当这些鳞片被去除后，蜻蜓的飞行就像过山车一样，忽上忽下，非常不稳定，这时蜻蜓身体表面的空气流动处于紊乱的湍流状态，不仅不稳定，摩擦阻力还很大。全球每天有20000架次的航班，要消耗大量的燃油，向空气中排放大量的CO2和其它污染物，用于克服飞机的航行阻力，推进飞机航行，如果将飞机的表面加工成这样的鳞片结构，不仅可以增强飞行的稳定性，还可以减小飞机与空气的摩擦阻力，减少燃油的消耗和排放。 图8 蜻蜓身体的超疏水现象 3.4 蜻蜓与泵喷推进 蜻蜓的幼虫水虿（图9）是游泳专家，它采用的游泳技术是喷射式的，只要腹部一压缩，水就往后喷，身体自然向前冲，速度极快。最新的泵喷水下推进技术就是根据这一原理发明的，采用此项推进技术，潜艇等水下航行器就不需要螺旋桨了，可以极大降低螺旋桨产生的噪声，提高隐身性能和机动性能。 图9 蜻蜓的幼虫水虿 四、蜻蜓机器人约翰霍普金斯大学应用物理实验室的科学家们在“智能蜻蜓项目”中，通过模仿蜻蜓的一些巧妙结构，研制出一款形似蜻蜓的双四轴飞行器，计划发送到土星的卫星泰坦星上(Titan)，让它在泰坦星上探索是否有生命存在的迹象。“蜻蜓”机器人，在两个层面上装有四对机器转子，其外形与命名都与地球上的双翅昆虫相似，也能四处飞行。携带科学仪器的“蜻蜓”机器人能进行四种卫星探测。质谱分析法会揭示出泰坦星地表和大气的构成成分。γ射线能谱测量法将测量泰坦星次表层的构成成分。气象和地质物理传感器将对泰坦星的大气状态，如风、压力、温度，以及地震活动进行分析。摄像机可以探测泰坦星表面的地质和物理特性，并帮助它寻找后续的着陆点（图10）。 图10 形似蜻蜓的双四轴飞行器 霍华德休斯医学研究所的研究人员开发了一个半机械的蜻蜓，成功地将一个装有电子、传感器和太阳能电池的小背包绑在了一只活的昆虫身上，通过指甲大小的背包向昆虫的大脑发送指令。研究人员首先采用了一种方法改造蜻蜓神经系统的基因，该基因能将一种名为ospin的光敏感蛋白质添加到神经元上，使其能够对脉冲信号做出反应。这种全新的微型飞行器，它比任何人造的东西都更小、更轻、更隐蔽。这个系统推动了能量收集、运动传感、算法、微型化和光遗传学的融合，所有这些都运用到一个小到足以让昆虫“佩戴”的系统中（图11）。 图11 蜻蜓眼微型飞行器 德国费斯托公司研制了一款可通过手机进行控制的蜻蜓机器人“生物选择者”，该机器人翼展可达到63厘米，体长达到44厘米，重量为175克，采用四翼碳纤维折叠翅膀，每秒可拍打20次。与真实蜻蜓相似之处在于，“生物选择者”的翅膀由9个伺服电动机操控，分别控制每个翅膀的振幅、频率和冲角，使每个翅膀能够旋转90度，能够向前、向后和侧面飞行，以及减速和突然转向，短时间内加速，甚至逆向飞行，它是能够模拟直升机、有翼飞行器和滑翔机的任何飞行状态的首个机械模型（图12）。
图12 “生物选择者”蜻蜓机器人 五、结束语 自然界的生物经过亿万年的进化，适者生存，它们的身上有数不清的自然奥秘和科学原理等待我们去探索和发现，科学家也从未停止探索自然奥秘的脚步。随着对自然奥秘探索的深入，我们对自然现象及其科学原理的认识不断进步，科学技术不断向前发展。 致谢：本文引用了部分网络信息和图片，仅作为科普教育使用，特此致谢。 （本文将于《力学与实践》发表，版权为本刊所有） 《力学与实践》编辑部 期刊首页：http://lxsj. |
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