摘要：從鑒賞描寫(xiě)蜻蜓的古代詩(shī)詞入手，介紹了蜻蜓這種經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年進(jìn)化昆蟲(chóng)的神奇流體力學(xué)特性。重點(diǎn)介紹了蜻蜓的復(fù)眼、蜻蜓翅膀消除振顫、蜻蜓表皮的超疏水與鱗片減阻、蜻蜓幼蟲(chóng)的噴水推進(jìn)等力學(xué)特性及其對(duì)工程技術(shù)發(fā)展的重要啟示，同時(shí)介紹了蜻蜓機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：蜻蜓，復(fù)眼，機(jī)翼振顫，超疏水，蜻蜓機(jī)器人
一、蜻蜓是詩(shī)人和畫(huà)家筆下永恒的主題
碧玉眼睛云母翅，輕于粉蝶瘦于蜂。
坐來(lái)迎拂波光久，豈是殷勤為蓼叢。
這是晚唐五代詩(shī)人韓偓（約842年-923年）寫(xiě)的《蜻蜓》，在這首詩(shī)中，經(jīng)過(guò)詩(shī)人的生花妙筆，蜻蜓眼似碧玉、翅如云母，比蝶更輕盈、比蜂更苗條的優(yōu)雅形象呼之欲出，將夏日雨前低飛在波光粼粼的水面上的蜻蜓那纖小靈動(dòng)的姿態(tài)描寫(xiě)得活靈活現(xiàn)、生動(dòng)傳神。
泉眼無(wú)聲惜細(xì)流，樹(shù)陰照水愛(ài)晴柔。
小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭。
這首《小池》是宋朝詩(shī)人楊萬(wàn)里（1127年-1206年）所作的一首家喻戶(hù)曉，膾炙人口的小詩(shī)。在這首詩(shī)里，詩(shī)人通過(guò)對(duì)初夏荷塘明媚風(fēng)光入細(xì)入微的觀察，運(yùn)用豐富新穎的想象和擬人的手法，生動(dòng)地描繪出小蜻蜓與尖尖的嫩荷葉相依相偎的交融情景（圖1），生靈活現(xiàn)地刻畫(huà)了小池的勃勃生機(jī)，非常生動(dòng)地反映了蜻蜓、自然與人構(gòu)成的一組詩(shī)情畫(huà)意。表現(xiàn)出詩(shī)人對(duì)大自然景物的熱愛(ài)之情。
圖1 小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭
自古以來(lái)蜻蜓就常被詩(shī)人用以描寫(xiě)恬靜宜人的美好景色，借以抒發(fā)細(xì)膩的情感，唐朝詩(shī)圣杜甫（712年-770年）是描寫(xiě)蜻蜓最多的詩(shī)人。
《曲江》其二（唐）杜甫
朝回日日典春衣，每日江頭盡醉歸。
酒債尋常行處有，人生七十古來(lái)稀。
穿花蛺蝶深深見(jiàn)，點(diǎn)水蜻蜓款款飛。
傳語(yǔ)風(fēng)光共流轉(zhuǎn)，暫時(shí)相賞莫相違。
這首詩(shī)寫(xiě)出了詩(shī)人在“朝回日日典春衣，酒債尋常行處有”的窮困潦倒境況下，仍然對(duì)明媚春光無(wú)比的眷戀和熱愛(ài)之情。
《重過(guò)何氏》（唐）杜甫
落日平臺(tái)上，春風(fēng)啜茗時(shí)。
石闌斜點(diǎn)筆，桐葉坐題詩(shī)。
翡翠鳴衣桁，蜻蜓立釣絲。
自今幽興熟，來(lái)往亦無(wú)期。
這首詩(shī)描寫(xiě)一個(gè)春日的傍晚，作者在平臺(tái)上飲茶。興致來(lái)時(shí)，便倚著石闌在桐葉上題起詩(shī)來(lái)。旁邊還有翡翠鳥(niǎo)，蜻蜓與之作伴。此情此景，簡(jiǎn)直可以繪成一幅雅致的“飲茶題詩(shī)圖”。
《卜居》（唐）杜甫
浣花流水水西頭，主人為卜林塘幽。
已知出郭少塵事，更有澄江銷(xiāo)客愁。
無(wú)數(shù)蜻蜓齊上下，一雙鸂鶒對(duì)沉浮。
東行萬(wàn)里堪乘興，須向山陰上小舟。
杜甫化用了《楚辭·卜居》中的名句：“將氾氾若水中之鳧乎？與波上下偷以全吾軀乎？”，描寫(xiě)了杜甫遠(yuǎn)離官場(chǎng)，淡泊名利，不隨波逐流，雖隱沒(méi)鄉(xiāng)野，反倒有了難得的自由與閑適，享受平淡而又豐富多彩的人生意境。
《風(fēng)雨看舟前落花，戲?yàn)樾戮洹罚ㄌ疲┒鸥?/span>
江上人家桃樹(shù)枝，春寒細(xì)雨出疏籬。
影遭碧水潛勾引，風(fēng)妒紅花卻倒吹。
吹花困癲傍舟楫，水光風(fēng)力俱相怯。
赤憎輕薄遮入懷，珍重分明不來(lái)接。
濕久飛遲半日高，縈沙惹草細(xì)于毛。
蜜蜂蝴蝶生情性，偷眼蜻蜓避百勞。
這是杜甫在去世前幾個(gè)月所作，詩(shī)人借桃花衰落投影自己?！巴笛垓唑选币惨?yàn)楹ε卤话賱邙B(niǎo)吃掉，避而飛去，不來(lái)親近桃花。暗喻杜甫晚年究困潦倒，四處漂泊，少有人真正同情他，但詩(shī)人始終保持自己高尚、純潔的人格，這些都和詩(shī)中的桃花有相似之處。
二、蜻蜓也是許多美術(shù)作品的主題
蜻蜓也是許多美術(shù)作品的主題，元代畫(huà)家王振鵬在《詠蜻蜓》一詩(shī)中這樣贊美蜻蜓：“伶爪細(xì)腰肩舞紗，英姿交織混沌天。疏影清潭輕點(diǎn)水，更立劍尖若等閑?！辟澝莉唑巡粌H有著輕靈的英姿，而且有著卓爾不凡的氣質(zhì)與稟性，“更立劍尖若等閑”——不僅優(yōu)雅，而且高貴。
著名國(guó)畫(huà)大師齊白石(1864年-1957年)是畫(huà)蜻蜓最多的畫(huà)家。他一生畫(huà)了上萬(wàn)只蜻蜓，他筆下的蜻蜓生動(dòng)傳神，賦予了鮮活的藝術(shù)感染力。
圖2 齊白石87歲所作《荷花蜻蜓圖》
張大千（1899年-1983年）、吳冠中（1919年-2010年）等名家也都頗愛(ài)畫(huà)蜻蜓。
圖3 張大千《荷花圖》(引自網(wǎng)絡(luò))
圖4 吳冠中1968年所作《紅蜻蜓》(引自網(wǎng)絡(luò))
三、蜻蜓身上的力學(xué)奧秘
蜻蜓不僅是詩(shī)人和畫(huà)家筆下永恒的主題，作為地球上最古老的物種之一，經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然進(jìn)化和演變，蜻蜓身上隱藏著數(shù)不清的科學(xué)奧秘，等待著人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。
3.1 蜻蜓的眼睛
蜻蜓是世界上眼睛最多的昆蟲(chóng)。蜻蜓的眼睛又大又鼓，占據(jù)著頭的絕大部分，且每只眼睛又有數(shù)不清的“小眼睛”構(gòu)成，所以稱(chēng)為“復(fù)眼”（圖5）。它的復(fù)眼中一共有20000至28000只左右的小眼睛，是一般昆蟲(chóng)復(fù)眼的10倍。這些“小眼”都與感光細(xì)胞和神經(jīng)連著，每一只小眼睛都像一架微型照相機(jī)，周?chē)奈矬w不斷被攝入，形成感光圖像，從而可以快速識(shí)別物體的形狀和大小。復(fù)眼的弧形表面可照顧到各個(gè)方向，加之蜻蜓的大腦袋能靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，使蜻蜓的視野非常開(kāi)闊，能向上、向下、向前、向后看而不必轉(zhuǎn)頭，即使目前最先進(jìn)的拍攝系統(tǒng)也不如蜻蜓的眼睛。復(fù)眼除了能感受到物象外，還能測(cè)速，當(dāng)物體在復(fù)眼前移動(dòng)時(shí)，每一小眼依次產(chǎn)生出反應(yīng)，經(jīng)過(guò)神經(jīng)傳導(dǎo)與合成加工，根據(jù)連續(xù)出現(xiàn)于小眼中的形象和時(shí)間，確定出目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)速度。但具體蜻蜓是如何將這些“小眼”撲捉到的感光信息經(jīng)過(guò)神經(jīng)傳導(dǎo)與合成，快速識(shí)別物體的，至今還是神經(jīng)科學(xué)的一個(gè)謎。
人們模仿蜻蜓的復(fù)眼結(jié)構(gòu)，發(fā)明了相機(jī)的多彩鏡（也叫多棱鏡）技術(shù)，研制出了復(fù)眼相機(jī)，多棱鏡的每個(gè)平面能把被攝影體折射出一個(gè)影像，從而用一個(gè)相機(jī)能拍攝出從多個(gè)角度拍攝的立體合成效果。但多棱鏡一般只能拍攝3--8個(gè)影像，比蜻蜓的眼睛還差得遠(yuǎn)。用這樣的相機(jī)，可以觀察水中移動(dòng)物體的三維速度。
圖5 用復(fù)眼相機(jī)拍攝的蜻蜓復(fù)眼結(jié)構(gòu)
3.2 蜻蜓的翅膀
經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化演變，蜻蜓的翅膀形成了獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特性，蜻蜓的前翅和后翅可以分別擺動(dòng)，兩對(duì)翅膀以不同周率，一上一下地振動(dòng)飛行，這種能力讓它可以用在空中劃出一個(gè)8字，亦可作出靜止、旋轉(zhuǎn)、前進(jìn)、退后的飛行動(dòng)作，即使目前最先進(jìn)的飛行器，也不如蜻蜓能夠靈活機(jī)動(dòng)地飛行。
蜻蜓的每一片翅膀前緣的上方，都有一塊加厚的深色角質(zhì)層——翼眼（圖6），這就是它們消除顫振隱患的特殊裝置。蜻蜓倘若去掉翼眼雖說(shuō)不會(huì)喪失飛行能力，卻會(huì)影響翅膀振動(dòng)的正確性，使它們的飛行變得像“醉漢”似地?fù)u搖晃晃，飄來(lái)蕩去。人們由此得到啟發(fā)，于是一項(xiàng)防止機(jī)翼顫振的發(fā)明問(wèn)世了，即在飛機(jī)的機(jī)翼盡端的前緣部位，操作面上，設(shè)置一個(gè)加重裝置，有害的機(jī)翼振動(dòng)便消除了（圖7）。這項(xiàng)發(fā)明不僅用在飛機(jī)的機(jī)翼上，還可以用于消除風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的振顫。
圖6 蜻蜓翅膀上的翼眼
圖7 機(jī)翼操縱面上抑制振顫的配重裝置（a）集中式（b）分散式
1—操縱面； 2—配重；3—尾翼
3.3 蜻蜓的身體
蜻蜓的身體表面的上表皮層由表皮質(zhì)層、蠟層和護(hù)蠟層組成，具有自清潔的功能，使得身體不沾灰塵，雨水也不會(huì)浸濕（圖8）。在表皮下有特化細(xì)胞組成的鱗片結(jié)構(gòu)，具有很好的空氣動(dòng)力學(xué)性能，使蜻蜓身體表面的空氣流動(dòng)處于層流狀態(tài)，流動(dòng)穩(wěn)定，摩擦阻力很小。但是這些鱗片的結(jié)構(gòu)是如何與氣流相互作用的，仍然是流體力學(xué)的前沿課題。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)這些鱗片被去除后，蜻蜓的飛行就像過(guò)山車(chē)一樣，忽上忽下，非常不穩(wěn)定，這時(shí)蜻蜓身體表面的空氣流動(dòng)處于紊亂的湍流狀態(tài)，不僅不穩(wěn)定，摩擦阻力還很大。全球每天有20000架次的航班，要消耗大量的燃油，向空氣中排放大量的CO2和其它污染物，用于克服飛機(jī)的航行阻力，推進(jìn)飛機(jī)航行，如果將飛機(jī)的表面加工成這樣的鱗片結(jié)構(gòu)，不僅可以增強(qiáng)飛行的穩(wěn)定性，還可以減小飛機(jī)與空氣的摩擦阻力，減少燃油的消耗和排放。
圖8 蜻蜓身體的超疏水現(xiàn)象
3.4 蜻蜓與泵噴推進(jìn)
蜻蜓的幼蟲(chóng)水蠆（圖9）是游泳專(zhuān)家，它采用的游泳技術(shù)是噴射式的，只要腹部一壓縮，水就往后噴，身體自然向前沖，速度極快。最新的泵噴水下推進(jìn)技術(shù)就是根據(jù)這一原理發(fā)明的，采用此項(xiàng)推進(jìn)技術(shù)，潛艇等水下航行器就不需要螺旋槳了，可以極大降低螺旋槳產(chǎn)生的噪聲，提高隱身性能和機(jī)動(dòng)性能。
圖9 蜻蜓的幼蟲(chóng)水蠆
約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們?cè)凇爸悄茯唑秧?xiàng)目”中，通過(guò)模仿蜻蜓的一些巧妙結(jié)構(gòu)，研制出一款形似蜻蜓的雙四軸飛行器，計(jì)劃發(fā)送到土星的衛(wèi)星泰坦星上(Titan)，讓它在泰坦星上探索是否有生命存在的跡象。“蜻蜓”機(jī)器人，在兩個(gè)層面上裝有四對(duì)機(jī)器轉(zhuǎn)子，其外形與命名都與地球上的雙翅昆蟲(chóng)相似，也能四處飛行。攜帶科學(xué)儀器的“蜻蜓”機(jī)器人能進(jìn)行四種衛(wèi)星探測(cè)。質(zhì)譜分析法會(huì)揭示出泰坦星地表和大氣的構(gòu)成成分。γ射線能譜測(cè)量法將測(cè)量泰坦星次表層的構(gòu)成成分。氣象和地質(zhì)物理傳感器將對(duì)泰坦星的大氣狀態(tài)，如風(fēng)、壓力、溫度，以及地震活動(dòng)進(jìn)行分析。攝像機(jī)可以探測(cè)泰坦星表面的地質(zhì)和物理特性，并幫助它尋找后續(xù)的著陸點(diǎn)（圖10）。
圖10 形似蜻蜓的雙四軸飛行器
霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一個(gè)半機(jī)械的蜻蜓，成功地將一個(gè)裝有電子、傳感器和太陽(yáng)能電池的小背包綁在了一只活的昆蟲(chóng)身上，通過(guò)指甲大小的背包向昆蟲(chóng)的大腦發(fā)送指令。研究人員首先采用了一種方法改造蜻蜓神經(jīng)系統(tǒng)的基因，該基因能將一種名為ospin的光敏感蛋白質(zhì)添加到神經(jīng)元上，使其能夠?qū)γ}沖信號(hào)做出反應(yīng)。這種全新的微型飛行器，它比任何人造的東西都更小、更輕、更隱蔽。這個(gè)系統(tǒng)推動(dòng)了能量收集、運(yùn)動(dòng)傳感、算法、微型化和光遺傳學(xué)的融合，所有這些都運(yùn)用到一個(gè)小到足以讓昆蟲(chóng)“佩戴”的系統(tǒng)中（圖11）。
圖11 蜻蜓眼微型飛行器
德國(guó)費(fèi)斯托公司研制了一款可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行控制的蜻蜓機(jī)器人“生物選擇者”，該機(jī)器人翼展可達(dá)到63厘米，體長(zhǎng)達(dá)到44厘米，重量為175克，采用四翼碳纖維折疊翅膀，每秒可拍打20次。與真實(shí)蜻蜓相似之處在于，“生物選擇者”的翅膀由9個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)操控，分別控制每個(gè)翅膀的振幅、頻率和沖角，使每個(gè)翅膀能夠旋轉(zhuǎn)90度，能夠向前、向后和側(cè)面飛行，以及減速和突然轉(zhuǎn)向，短時(shí)間內(nèi)加速，甚至逆向飛行，它是能夠模擬直升機(jī)、有翼飛行器和滑翔機(jī)的任何飛行狀態(tài)的首個(gè)機(jī)械模型（圖12）。
圖12 “生物選擇者”蜻蜓機(jī)器人
五、結(jié)束語(yǔ)
自然界的生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化，適者生存，它們的身上有數(shù)不清的自然奧秘和科學(xué)原理等待我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)，科學(xué)家也從未停止探索自然奧秘的腳步。隨著對(duì)自然奧秘探索的深入，我們對(duì)自然現(xiàn)象及其科學(xué)原理的認(rèn)識(shí)不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)不斷向前發(fā)展。
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