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金花蛇是已知唯一會(huì )“飛行”的蛇類(lèi)，這種“飛蛇”能夠在樹(shù)木間滑翔。近期，來(lái)自美國的科研團隊成功開(kāi)發(fā)出一種可連續的三維數學(xué)模型，并以此揭示出金花蛇“飛行”的兩個(gè)關(guān)鍵因素。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

說(shuō)它們“會(huì )飛”其實(shí)并不太準確，金花蛇只是擁有短距離滑翔的能力。比如，有的金花蛇會(huì )在高處的樹(shù)冠間彈跳穿梭，從一根樹(shù)枝滑翔到幾米外的另一根樹(shù)枝上。當它在半空中擺動(dòng)身體時(shí)，看起來(lái)就像是在飛行一樣。

“飛蛇”竟是空氣動(dòng)力學(xué)高手

作為一種沒(méi)有四肢的動(dòng)物，這種蛇的“飛行”能力的確令人震驚。它們是如何在樹(shù)冠間穿梭，而不會(huì )失去平衡并跌落在地的呢?

2002年，弗吉尼亞理工學(xué)院的杰克·索查在《自然》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于這種蛇“飛行”能力的文章，將這種蛇及其卓越的滑翔技巧帶入了人們的視野。

在這項研究中，索查發(fā)現，準備“起飛”時(shí)，金花蛇會(huì )先爬到樹(shù)枝的頂端，把自己掛成“J”形，然后像個(gè)彈簧一樣收縮身體，準備發(fā)射。起跳后，為了“飛”得盡可能遠，它會(huì )把身體變得扁平，寬度幾乎可達正常狀態(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。索查當時(shí)認為，這種飛盤(pán)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。

2010年，索查和研究團隊專(zhuān)門(mén)搭建了一座8米多高的高塔，并在上面裝了樹(shù)枝，來(lái)模擬樹(shù)冠。他們發(fā)現，從這座塔上躍下，金花蛇最遠能滑翔24米。他們讓蛇反復跳下，并用4臺照相機捕捉蛇在滑翔過(guò)程中的動(dòng)作。

通過(guò)這些圖像，研究者3D打印出一個(gè)滑翔中的扁平的金花蛇模型，并放到水缸里，通過(guò)水流研究其流體動(dòng)力學(xué)特征。同時(shí)，他們還聯(lián)系了華盛頓大學(xué)的航空工程師，在電腦中對蛇模型進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)模擬。最終，他們發(fā)現在金花蛇的滑翔過(guò)程中，空氣的“吸力”似乎起到了重要的作用：當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(lái)。

扭動(dòng)或有助于保持平衡

但金花蛇的滑翔能力還存在著(zhù)一個(gè)謎團：它們在滑翔時(shí)為何要擺動(dòng)身體呢?

在最近發(fā)表于《自然·物理學(xué)》的這項研究里，研究者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記。這樣，就能通過(guò)動(dòng)作捕捉技術(shù)，復原蛇在滑翔時(shí)身體的所有動(dòng)作。

研究團隊選擇了一個(gè)劇院作為試驗場(chǎng)地，并設置了一棵“人造樹(shù)”，這棵樹(shù)的樹(shù)枝是橡樹(shù)，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(shù)上跳下，并用一套由24臺攝像機組成的動(dòng)作捕捉系統，實(shí)時(shí)記錄蛇身上標記物的位置。

借助這些數據，研究者終于獲得了一個(gè)“解剖學(xué)意義上準確的”金花蛇三維模型。他們結合慣性和空氣動(dòng)力學(xué)的影響，在電腦上分別模擬金花蛇在有無(wú)擺動(dòng)時(shí)的滑翔能力。他們發(fā)現，在不擺動(dòng)時(shí)，金花蛇也能滑翔很遠一段距離，但是在滑翔過(guò)程中極易發(fā)生翻滾或墜落。當添加了擺動(dòng)的動(dòng)作后，金花蛇模型則可以穩定滑翔很長(cháng)一段距離。

然而，倫敦大學(xué)學(xué)院的吉姆·安德伍德在另一篇文章中認為，不能簡(jiǎn)單粗暴地認為金花蛇的擺動(dòng)只是為了滑翔的穩定性，并徹底排除這種擺動(dòng)只是它們正常運動(dòng)習慣的可能性，“這兩種觀(guān)點(diǎn)可能都是正確的”。

盡管未能完美回答最初的問(wèn)題，這項研究仍然對相關(guān)蛇形機器人的改進(jìn)設計提供了很大幫助。研究者在論文中提出，這項研究可以為以飛蛇為靈感的蛇形機器人的設計，提供空中擺動(dòng)的運動(dòng)模板和理論基礎，同時(shí)也能幫助簡(jiǎn)化現有的類(lèi)似機器人。(張二七)