摘要: 在目前已知的所有蛇類中，只有一類“會飛”，就是金花蛇（Chrusopelea），別名“飛蛇”。目前在金花蛇屬中共確認(rèn)了5個(gè)種，它們主要集中分布于東南亞、美拉尼西亞群島及印度。 天堂金花蛇（圖片來源：Jake Socha） 你見過會飛的蛇嗎？金花蛇是已知唯一會...
在目前已知的所有蛇類中，只有一類“會飛”，就是金花蛇（Chrusopelea），別名“飛蛇”。目前在金花蛇屬中共確認(rèn)了5個(gè)種，它們主要集中分布于東南亞、美拉尼西亞群島及印度。
天堂金花蛇（圖片來源：Jake Socha）
你見過會飛的蛇嗎？金花蛇是已知唯一會“飛行”的蛇類，這種“飛蛇”能夠在樹木間滑翔的秘訣，受到一些物理學(xué)家的關(guān)注。通過20年的研究，現(xiàn)在，他們終于找到了金花蛇“飛行”的兩個(gè)關(guān)鍵因素。
說它們“會飛”其實(shí)并不太準(zhǔn)確，金花蛇只是擁有短距離滑翔的能力，而并不能靠自己的力量在空中提升高度。比如，其中的天堂金花蛇（Chrysopelea paradisi）會在高處的樹冠間彈跳穿梭，從一根樹枝滑翔到幾米外的另一根樹枝上。當(dāng)它在半空中擺動(dòng)身體時(shí)，看起來就像是在“飛翔”一樣。
飛蛇的動(dòng)力學(xué)
作為一種沒有四肢的動(dòng)物，這種蛇的“飛行”能力的確令人震驚。它們既缺少類似雙翼的結(jié)構(gòu)，也沒有看起來能夠在飛行途中維持平衡和方向的部位。那么它們又是如何在樹冠間穿梭，而不會失去平衡并跌落在地的呢？
弗吉尼亞理工學(xué)院的Jake Socha已經(jīng)研究這種蛇20年了。在19世紀(jì)初，一位英國科學(xué)家在他位于東南亞的茶園中就曾看到一條滑翔的金花蛇。然而直到2002年，Socha在《自然》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于這種蛇“飛行”能力的文章，才將這種蛇及其卓越的滑翔技巧帶入了大家的視野。
在2002年的這項(xiàng)研究中，Socha發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)備“起飛”時(shí)，金花蛇會先爬到樹枝的頂端，把自己掛成J形，然后像個(gè)彈簧一樣收縮身體，準(zhǔn)備發(fā)射。起跳后，為了飛的盡可能遠(yuǎn)，它會把身體變得扁平，寬度幾乎可達(dá)正常狀態(tài)的兩倍。從橫截面看，它的身體腹部向上彎曲，變成了一個(gè)橫放的“C”字狀。Socha當(dāng)時(shí)認(rèn)為，這種飛盤一樣的形狀可以讓身體下方的氣壓更高，從而使空氣更好地“托起”蛇的身體。
在隨后的三年間，Socha確定了金花蛇滑翔過程中的一些重要變量：起始角度、水平速度、蛇的重量、長度以及在飛行過程中蛇的搖擺。他發(fā)現(xiàn)，蛇的大?。w重和長度）對滑翔距離很重要——蛇越小，它滑的就越遠(yuǎn)。同時(shí)，他還發(fā)現(xiàn)在滑翔時(shí)，蛇身還會不停擺動(dòng)，這似乎也對滑翔能力起到了影響。Socha被這種獨(dú)特的蛇深深吸引，并且開始進(jìn)一步研究金花蛇的滑翔能力。
2010年，Socha和研究團(tuán)隊(duì)給專門搭建了一座8米多高的高塔，并在上面裝了樹枝，來模擬樹冠。他們發(fā)現(xiàn)，從這座塔上躍下，蛇最遠(yuǎn)能滑翔24米。他們讓蛇反復(fù)跳下，并用4臺照相機(jī)捕捉蛇在滑翔過程中的動(dòng)作。通過這些圖像，研究者創(chuàng)建了一個(gè)滑翔中的蛇的3維模型。
借助這個(gè)模型，他們3D打印出一個(gè)滑翔中的扁平的金花蛇模型，并且放到水缸里，通過水流研究其流體動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)，他們還聯(lián)系了喬治·華盛頓大學(xué)的航空工程師Lorena Barba，在電腦中計(jì)算了蛇模型的空氣動(dòng)力學(xué)模擬。最終，他們發(fā)現(xiàn)在金花蛇的滑翔過程中，空氣的“吸力”似乎提供了重要的作用：當(dāng)金花蛇的身體變得扁平后，蛇身上方形成了小小的渦流，這里的低氣壓把蛇“吸”了起來。
扭動(dòng)的力量
但金花蛇的滑翔能力還存在著一個(gè)謎團(tuán)：它們在滑翔時(shí)為何要擺動(dòng)身體呢？Socha和他的合作伙伴Issac Yeaton等人提出的一種猜測是，擺動(dòng)身體或許能夠幫助它們更好地滑翔。然而考慮到所有蛇類都有這樣的擺動(dòng)能力，它們的正常運(yùn)動(dòng)方式就是會不斷扭動(dòng)自己的身體。因此研究者也不得不懷疑，或許滑翔時(shí)的搖擺只是它們正常運(yùn)動(dòng)所殘留下來的動(dòng)作。
為了解答這個(gè)問題，他們決定利用動(dòng)作捕捉技術(shù)，更仔細(xì)、精確地研究金花蛇的滑翔能力。在最近發(fā)表于《自然·物理學(xué)》的這項(xiàng)研究里，他們采用了天堂金花蛇作為研究對象，并且在蛇背部安放了一系列紅外反射標(biāo)記。這樣，就能通過記錄這些標(biāo)記物，復(fù)原蛇在滑翔時(shí)身體的所有動(dòng)作。
研究團(tuán)隊(duì)選擇了一個(gè)劇院作為試驗(yàn)場地，為了避免蛇在降落時(shí)受傷，他們還在地面上鋪好了柔軟的泡沫墊。在“舞臺”中央，研究者放了一棵“人造樹”，這棵樹的樹枝是橡樹，上面粘有假的葉子和藤蔓——這里就是蛇滑翔的起點(diǎn)。在隨后的9天里，研究者不斷讓蛇從這棵樹上跳下，并用一套由24臺攝像機(jī)組成的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄蛇身上標(biāo)記物的位置。
借助這些數(shù)據(jù)，研究者終于如愿獲得了一個(gè)“解剖學(xué)意義上準(zhǔn)確的”金花蛇3維模型。這樣一來，他們終于能在電腦上，結(jié)合慣性和空氣動(dòng)力學(xué)的影響，分別模擬金花蛇在有無擺動(dòng)時(shí)的滑翔能力。他們發(fā)現(xiàn)，在不擺動(dòng)時(shí)，金花蛇也能滑翔很遠(yuǎn)一段距離，然而它們在滑翔過程中極易發(fā)生翻滾或墜落。與之相反，當(dāng)添加了擺動(dòng)的動(dòng)作后，金花蛇模型就可以穩(wěn)定滑翔很長一段距離。
通過動(dòng)作捕捉技術(shù)重建的蛇飛行模擬圖
這樣看來，我們似乎已經(jīng)解答了金花蛇滑翔能力的奧秘，但這是否回答了他們所提出的問題呢？倫敦大學(xué)學(xué)院的Jim Underwood在一篇觀點(diǎn)文章中提醒到，不能簡單粗暴地認(rèn)為金花蛇的擺動(dòng)只是為了滑翔的穩(wěn)定性，并徹底排除這種擺動(dòng)只是它們正常運(yùn)動(dòng)習(xí)慣的可能性：“這兩種觀點(diǎn)可能都是正確的?！?/p>
“與以往一樣，在解釋動(dòng)物為何演化出某些性狀或行為時(shí)，尤其在運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性方面，必須謹(jǐn)慎對待。比如滑翔的鳥類看起來可能穩(wěn)定性很差，但或許這并不能被視作不適應(yīng)，”Underwood這樣提醒道，“比如你單看貓頭鷹的某個(gè)滑翔姿態(tài)，也不覺得它能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的滑翔，但它們的確是滑翔的好手?！?/p>
盡管未能完美回答最初的問題，這項(xiàng)研究仍然對相關(guān)蛇形機(jī)器人的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了很大幫助。研究者在論文中提出，這項(xiàng)研究可以為以飛蛇為靈感的蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)，提供空中擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)模板和理論基礎(chǔ)，同時(shí)也能幫助簡化現(xiàn)有的類似機(jī)器人。
