飞蛇动力学:终于知道 蛇是怎么“飞行”的了!(组图)

天堂金花蛇（图片来源：Jake Socha）

你见过会飞的蛇吗？金花蛇是已知唯一会“飞行”的蛇类，这种“飞蛇”能够在树木间滑翔的秘诀，受到一些物理学家的关注。通过20年的研究，现在，他们终于找到了金花蛇“飞行”的两个关键因素。

撰文 | 张二七

在目前已知的所有蛇类中，只有一类“会飞”，它们就是金花蛇（Chrusopelea），别名“飞蛇”。目前在金花蛇属中，共确认了5个种，它们主要集中分布于东南亚、美拉尼西亚群岛及印度。

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，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）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“飞翔”一样。

飞蛇的动力学

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。它们既缺少类似双翼的结构，也没有看起来能够在飞行途中维持平衡和方向的部位。那么它们又是如何在树冠间穿梭，而不会失去平衡并跌落在地的呢？

弗吉尼亚理工学院的Jake Socha已经研究这种蛇20年了。在19世纪初，一位英国科学家在他位于东南亚的茶园中就曾看到一条滑翔的金花蛇。然而直到2002年，Socha在《自然》杂志发表了一篇关于这种蛇“飞行”能力的文章，才将这种蛇及其卓越的滑翔技巧带入了大家的视野。

在2002年的这项研究中，Socha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，为了飞的尽可能远，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。Socha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。

天堂金花蛇“起飞”后身体变扁平，2015年摄于马来西亚（视频来源：BBC）

在随后的三年间，Socha确定了金花蛇滑翔过程中的一些重要变量：起始角度、水平速度、蛇的重量、长度以及在飞行过程中蛇的摇摆。他发现，蛇的大小（体重和长度）对滑翔距离很重要——蛇越小，它滑的就越远。同时，他还发现在滑翔时，蛇身还会不停摆动，这似乎也对滑翔能力起到了影响。Socha被这种独特的蛇深深吸引，并且开始进一步研究金花蛇的滑翔能力。

2010年，Socha和研究团队给专门搭建了一座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，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，研究者创建了一个滑翔中的蛇的3维模型。

借助这个模型，他们3D打印出一个滑翔中的扁平的金花蛇模型，并且放到水缸里，通过水流研究其流体动力学特征。同时，他们还联系了乔治·华盛顿大学的航空工程师Lorena Barba，在电脑中计算了蛇模型的空气动力学模拟。最终，他们发现在金花蛇的滑翔过程中，空气的“吸力”似乎提供了重要的作用：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。

天堂金花蛇从树枝上滑翔并降落的全过程，于2010年摄于马来西亚（视频来源：National Geographic Television.）

扭动的力量

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？Socha和他的合作伙伴Issac Yeaton等人提出的一种猜测是，摆动身体或许能够帮助它们更好地滑翔。然而考虑到所有蛇类都有这样的摆动能力，它们的正常运动方式就是会不断扭动自己的身体。因此研究者也不得不怀疑，或许滑翔时的摇摆只是它们正常运动所残留下来的动作。

为了解答这个问题，他们决定利用动作捕捉技术，更仔细、精确地研究金花蛇的滑翔能力。在最近发表于《自然·物理学》的这项研究里，他们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，就能通过记录这些标记物，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，为了避免蛇在降落时受伤，他们还在地面上铺好了柔软的泡沫垫。在“舞台”中央，研究者放了一棵“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，研究者终于如愿获得了一个“解剖学意义上准确的”金花蛇3维模型。这样一来，他们终于能在电脑上，结合惯性和空气动力学的影响，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，然而它们在滑翔过程中极易发生翻滚或坠落。与之相反，当添加了摆动的动作后，金花蛇模型就可以稳定滑翔很长一段距离。



通过动作捕捉技术重建的蛇飞行模拟图

这样看来，我们似乎已经解答了金花蛇滑翔能力的奥秘，但这是否回答了他们所提出的问题呢？伦敦大学学院的Jim Underwood在一篇观点文章中提醒到，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。”

“与以往一样，在解释动物为何演化出某些性状或行为时，尤其在运动的稳定性方面，必须谨慎对待。比如滑翔的鸟类看起来可能稳定性很差，但或许这并不能被视作不适应，”Underwood这样提醒道，“比如你单看猫头鹰的某个滑翔姿态，也不觉得它能实现稳定的滑翔，但它们的确是滑翔的好手。”

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。

原始论文：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-0935-4













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