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虽然没有翅膀没有四肢 但金花蛇有自己的“飞行”秘籍

来源:科技日报2020-07-09 09:31

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  金花蛇是已知唯一会“飞行”的蛇类,这种“飞蛇”能够在树木间滑翔。近期,来自美国的科研团队成功开发出一种可连续的三维数学模型,并以此揭示出金花蛇“飞行”的两个关键因素。相关研究成果发表在《自然·物理学》杂志上。

  说它们“会飞”其实并不太准确,金花蛇只是拥有短距离滑翔的能力。比如,有的金花蛇会在高处的树冠间弹跳穿梭,从一根树枝滑翔到几米外的另一根树枝上。当它在半空中摆动身体时,看起来就像是在飞行一样。

  “飞蛇”竟是空气动力学高手

  作为一种没有四肢的动物,这种蛇的“飞行”能力的确令人震惊。它们是如何在树冠间穿梭,而不会失去平衡并跌落在地的呢?

  2002年,弗吉尼亚理工学院的杰克·索查在《自然》杂志发表了一篇关于这种蛇“飞行”能力的文章,将这种蛇及其卓越的滑翔技巧带入了人们的视野。

  在这项研究中,索查发现,准备“起飞”时,金花蛇会先爬到树枝的顶端,把自己挂成“J”形,然后像个弹簧一样收缩身体,准备发射。起跳后,为了“飞”得尽可能远,它会把身体变得扁平,宽度几乎可达正常状态的两倍。从横截面看,它的身体腹部向上弯曲,变成了一个横放的“C”字状。索查当时认为,这种飞盘一样的形状可以让身体下方的气压更高,从而使空气更好地“托起”蛇的身体。

  2010年,索查和研究团队专门搭建了一座8米多高的高塔,并在上面装了树枝,来模拟树冠。他们发现,从这座塔上跃下,金花蛇最远能滑翔24米。他们让蛇反复跳下,并用4台照相机捕捉蛇在滑翔过程中的动作。

  通过这些图像,研究者3D打印出一个滑翔中的扁平的金花蛇模型,并放到水缸里,通过水流研究其流体动力学特征。同时,他们还联系了华盛顿大学的航空工程师,在电脑中对蛇模型进行空气动力学模拟。最终,他们发现在金花蛇的滑翔过程中,空气的“吸力”似乎起到了重要的作用:当金花蛇的身体变得扁平后,蛇身上方形成了小小的涡流,这里的低气压把蛇“吸”了起来。

  扭动或有助于保持平衡

  但金花蛇的滑翔能力还存在着一个谜团:它们在滑翔时为何要摆动身体呢?

  在最近发表于《自然·物理学》的这项研究里,研究者采用了天堂金花蛇作为研究对象,并且在蛇背部安放了一系列红外反射标记。这样,就能通过动作捕捉技术,复原蛇在滑翔时身体的所有动作。

  研究团队选择了一个剧院作为试验场地,并设置了一棵“人造树”,这棵树的树枝是橡树,上面粘有假的叶子和藤蔓——这里就是蛇滑翔的起点。在随后的9天里,研究者不断让蛇从这棵树上跳下,并用一套由24台摄像机组成的动作捕捉系统,实时记录蛇身上标记物的位置。

  借助这些数据,研究者终于获得了一个“解剖学意义上准确的”金花蛇三维模型。他们结合惯性和空气动力学的影响,在电脑上分别模拟金花蛇在有无摆动时的滑翔能力。他们发现,在不摆动时,金花蛇也能滑翔很远一段距离,但是在滑翔过程中极易发生翻滚或坠落。当添加了摆动的动作后,金花蛇模型则可以稳定滑翔很长一段距离。

  然而,伦敦大学学院的吉姆·安德伍德在另一篇文章中认为,不能简单粗暴地认为金花蛇的摆动只是为了滑翔的稳定性,并彻底排除这种摆动只是它们正常运动习惯的可能性,“这两种观点可能都是正确的”。

  尽管未能完美回答最初的问题,这项研究仍然对相关蛇形机器人的改进设计提供了很大帮助。研究者在论文中提出,这项研究可以为以飞蛇为灵感的蛇形机器人的设计,提供空中摆动的运动模板和理论基础,同时也能帮助简化现有的类似机器人。(张二七)

[ 责编:赵宇豪 ]
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