当蚊子撞上雨滴

文｜胡立德

作者系美国佐治亚理工学院机械工程助理教授、2015年菠萝物理奖获得者。

2015年的菠萝物理奖颁给了美国佐治亚理工学院胡立德教授团队，以表彰他们发现了蚊子不会被雨滴砸死的诀窍 。那么，蚊子为什么能毫发无损地穿越高速飞落的“汽车雨”呢？

漫漫细雨对我们来说，常常是浪漫而惬意的象征，可你有没有想过，对体积微小的昆虫，譬如蚊子来说，雨中漫步简直就是一场灾难大片。

一般来说，一滴雨珠的重量可以达到蚊子体重的50倍之多，我们口中的“毛毛雨”， 对蚊子而言完全不下于一辆辆甲壳虫汽车从天而降！可惜的是，在如此漫天高速飞落的“甲壳虫汽车雨”中，蚊子却依然能够嗡嗡作响而毫发无损。

是什么赋予了蚊子如此神通？

模拟蚊子的“雨中飞行”

为了破解这一谜题，美国佐治亚理工学院的研究团队与美国疾病控制中心合作，对雨中飞舞的蚊子进行了高速摄像，以便仔细观察蚊子被雨滴击中瞬间的行为。

图A展示了实验用的模拟雨滴与蚊子的相对大小；图B为实验装置示意图；图C和图D是视频中的一系列截图，显示了蚊子被雨滴击中后迅速作出高难度的“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落。（作者供图）

实际上，这可不是一件容易的事情：首先，要从几米高的距离外让雨滴开始加速并准确“击中”蚊子简直是不可能的任务，“守株待兔”地等蚊子被“人工降雨”击中的概率也微乎其微。

于是，研究员们采用了“水枪打蚊群”的策略，将数以百计的蚊子装入一个细高的透明容器中，从容器顶端用高速喷头向蚊群发射与自然界中雨滴速度相仿（大约9米/秒 ）的“模拟雨滴”，以增加蚊子被“雨滴”击中的概率。

同时，由于蚊子与雨滴在瞬息之间便擦身而过，如何让实验设备自动而准确地捕捉这一瞬间，便成了另一个亟需解决的问题。研究员们想出的办法是，在蚊子飞行高度的上方设置一道“激光封锁线”，当雨滴穿过激光线时，便触发高速相机开始以每秒4000帧的速度拍摄，从而详细记录蚊子与雨滴相互作用中的每一个动作。

“以柔克刚”的求生秘籍

通过拍摄下的高速视频，研究小组分析并归纳出雨滴击中蚊子不同部位的各种情况，计算出了蚊子在遭遇雨滴的瞬间所受的作用力，以及其后随雨滴向下移动的距离。他们发现，蚊子不像人们可能推测的那样能够躲避雨滴，但被雨滴击中的蚊子也不会受到冲击带来的伤害。

蚊子的秘诀，在于它们的体重极轻。研究小组拍摄的高速视频显示，蚊子被雨滴击中时并不抵挡雨滴，而是与雨滴融为一体，顺应雨滴的趋势落下。当雨滴击中蚊子翅膀或腿部时，蚊子会向击中的那一侧倾斜，并通过高达50度的高难度“侧身翻滚动作”让雨滴从身侧滑落。而当雨滴直接击中蚊子身体时，蚊子先顺应雨水强大的推力与之一同下落，随之迅速侧向微调与雨滴分离并恢复飞行。

研究小组发现，若是雨滴击中蚊子时，蚊子栖息于无法移动的地面上，雨滴的速度将瞬间减小为0，并施加等同于蚊子体重10000倍的力在蚊子身上，足以使其致命。而当蚊子在空中被击中并采用“不抵抗”策略时，蚊子受到的冲击力就减小为自重的50～300倍，只相当于在蚊子身上压了一根羽毛——这是蚊子所能够承受的。两者之间的区别，就如同“一拳打在钢板上”和“一拳打在棉花上”。

因此，虽说蚊子看似柔弱如风中浮萍被雨滴砸得摇晃不定，但正是由于蚊子的重量微不可记，在与雨水碰撞的过程中，雨滴几乎没有减速，动能并未转化为其它形式的能量击打在蚊子身上，而是让蚊子瞬间加速，从而化解了高速下降的雨滴带来的巨大冲击。这就像是“以柔克刚”，从而达到“四两拨千斤”的效果——想不到小小蚊子，居然个个都是太极高手！

除了避免冲击带来的伤害外，蚊子雨中求生的另一秘诀是它们疏水性的细毛。覆满防水细毛的身体，使得蚊子在随着雨滴下落的过程中与雨滴保持分隔状态，从而能够迅速摆脱雨滴重新飞起，在雨滴将它们砸落地面造成致命伤害前逃出生天。

这一发现目前已发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，并引起了广泛关注。事实上，这项研究不只是跟蚊子有关。在对自然界的应对之道上，动物往往有着比我们更丰富的经验，并在千万年的进化过程中发展出适合它们生存环境的结构和功能。研究和模拟这些动物应对大自然的特殊本领，可以为科学家和工程师提供新的设计思想，解决机械技术上的很多难题——比如，如何更好地设计微型飞行器，让它们能够像蚊子一样，在雨中轻盈地翱翔。

延伸阅读

人造昆虫——微型飞行器

从飞机诞生至今的百余年航空发展史中，个头最大、体积最大、载重量最大的飞机当属苏联的“安225”。它的翼展约88米，机长84米，是名副其实的空中“巨无霸”。至于世界上个头最小的、可飞行的飞机，则只有1枚硬币那么大，如美国哈佛大学的扑翼微型飞行器——“机器蜂”、中国同济大学的“昆虫动力飞机”，其重量均仅为数百微克。

科学家们普遍认为，尺寸为15 厘米大小、能靠其自身能力飞行并完成各种探测任务的飞行器，可以称为微型飞行器。早期的微型飞行器均采用固定翼模式。其中最高水平的代表是美国的“黑寡妇”和“微星”。

“黑寡妇”是美国1998年研制的一种固定翼微型飞行器，外型类似于盘状飞碟，最大直径为15厘米，留空时间为16分钟，最大飞行速度为70千米/小时。“微星”几乎和“黑寡妇”同时研发成功，由洛克希德·马丁公司设计生产，总重仅为85 克，留空时间为20分钟，未来将具备GPS 导航定位系统和摄像功能，设计者希望将其打造为战场上前所未有的高效侦察工具。

近年来，微型扑翼飞行器的研究也取得了一定成果，比如美国加州技术学院研制的“微型蝙蝠”和斯坦福研究中心研制的“领路人”。“微型蝙蝠”是最早的微型电动扑翼飞行器之一，目前已发展到第四代样机，该机以锂离子电池为动力，重11.5克，最大尺寸为20.3厘米，飞行方式为无线电遥控飞行，最大续航时间为6分17秒。“领路人”微型扑翼飞行器重50克，有4片机翼，以电致伸缩聚合体人造肌肉为动力。

除了固定翼和扑翼模式外，旋翼也是微型飞行器的重要发展方向之一。微型旋翼飞行器与微型固定翼飞行器相比，其最大优点是：能垂直起降和悬停，适宜在狭小空间或复杂地形环境中使用。微型旋翼飞行器的典型代表是洛克尼克公司研制的“科里布里”和斯坦福大学研制的“麦斯考普特”。“科里布里”微型旋翼飞行器的基本尺寸为10厘米，重316克，采用重37克的微型柴油发动机为动力，燃油重132克。这种飞行器上部装旋翼，下部装照相机，采用GPS自动驾驶，可以垂直起降和旋停，留空时间至少30分钟，可携带大约100克的设备。“麦斯考普特”微型旋翼飞行器是一个厘米级大小的飞行器，其机身为16×16平方厘米的方形框架，有4个螺旋桨，螺旋桨直径为15毫米，厚度仅为0.08毫米，每个螺旋桨由直径为3毫米、重325毫克的微型电机驱动。

最近，由哈佛大学的科研人员历时12年研制成功了世界上最小、最轻且可按预设路径飞行的微型扑翼飞行器“机器蜂”。这是一架将尺寸做到了极致的微型扑翼飞行器，只有指甲盖大小，重仅0.1克。它融入了当今的诸多先进成果，称得上是人类模仿大自然道路上的巨大跨越。