高速錄影機抓拍蒼蠅 揭示快速改變方向原因

封之介

2010年04月13日 09:48   來源：搜狐IT   搜狐科學 尚力

果蠅在空中通過“聳肩”來改變方向

    據國外媒體報道，世界物理學頂級學術期刊——《物理評論快報》(Physical Review Letters)近日報道的一項研究表明，通過對高速錄影機捕捉的蒼蠅飛行狀態分析得出，蒼蠅在空中的“快速自由體操運動”是通過兩個翅膀的相互協調作用實現的。蒼蠅翅膀的協調作用原理與發條玩具一樣，這使其可以在空中快速實現自由旋轉和改變方向。據悉，這一發現將有助於未來製造出更好的飛行機器人。

    據悉，在此之前的研究表明，果蠅翅膀振動的頻率是4毫秒每次，這遠比它們的神經細胞變成興奮狀態更快，並且果蠅的翅膀每振動18次就能改變方向120度。但對蒼蠅如何實現快速改變方向的研究還比較缺乏，而英國康奈爾大學的柯亨(Cohen)、美國布朗大學的阿提拉·伯格(Attila Bergou)進行的這次實驗揭示了蒼蠅快速改變方向的原因，剛好填補了這個空白。

    這篇報道的共同作者柯亨對“蒼蠅翅膀的振動有多少是由自己控制，以及多少是由空氣動力所控制”進行了研究。在此次實驗中，柯亨及其同事伯格設置了三個高速錄影機，並把攝像頭對準了一個裝有大約10隻蒼蠅的箱子正中央。錄影顯示，其中一隻蒼蠅觸碰到攝像頭，導致其以8000幀/秒的幀速率開始旋轉起來，同時一簇LED光束在箱子內部製造出的條紋圖案誘使蒼蠅作出了U型轉向。

    據報道，作為康奈爾大學研究生的此次實驗的另一名合作者伯格表示：“蒼蠅看到了這些圖案，被迷昏之後就改變了飛行方向。這些蒼蠅進行了反復多次的轉向，因而實驗結果比較可靠。”研究小組發現，當蒼蠅改變飛行方向時，一個翅膀的傾斜幅度比另一個大，這類似于划船者在一支槳上用的力大於另一支槳以使船改變方向。由於空氣動力的緣故，蒼蠅只需要使其兩個翅膀的傾斜幅度之差達到9度，就足以使其改變飛行方向。柯亨表示：“這些昆蟲在空中飛行就像在“游泳”，它們運用空氣動力的原理以改變到它們想要的任何方向。”根據電腦對飛行動力學模擬的分析表明，蒼蠅兩個翅膀的協調作用就像發條玩具和老式時鐘的扭力彈簧一樣。當蒼蠅準備改變飛行方向時，它需要改變翅膀的傾斜度。而在所有的飛行轉向中蒼蠅要做的僅僅是抽動控制翅膀的肌肉，至於其改變翅膀傾斜度需要多大的轉矩(指驅動軸的旋轉力，轉矩越大加速度或最大時速越高)都由其自然系統來實現了。

    美國查伯山(Chapel Hill)北卡羅萊納大學的赫瑞克(Ty Hedrick)說：“很令人驚奇，他們竟然能把實驗控制得如此好，因為要把這些測量方法的不確定性控制到足夠低的程度，以保證能觀察到想看到的非常困難。”據悉，物理學家們還計劃對其他飛行昆蟲如象蜂和蜻蜓，進行比較研究。他們希望研究結果能對設計出更具操縱性的飛行機器人提供更多幫助。要運用昆蟲-空氣動力學原理，製造出更加高效和更小的機器人並不是件容易的事情，因此還需要科學家們付出更多努力。
（責任編輯：徐晶慧）

易千昏

好勁@@"

kyo3132

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