小飞蛇如何在滑翔时不翻车？

来源： Nature自然科研

任何折过纸飞机的人应该都有过这种无奈：纸飞机刚一飞出去便不受控地旋转，最后冲向地面，可见滑翔时要保持平衡和稳定有多难。但是，不知道为什么，摆动的飞蛇却能在滑翔时不“翻车”。

要实现稳定滑翔，我们应该向谁学习呢？向飞行的个中好手信天翁、雨燕或猎鹰取取经？是个办法，但猎鹰或猫头鹰这样的滑行高手看起来好像非常不稳定[1]——至少从标准的工程学上说是这样，这一定程度上是因为对阻力最小的要求会发生冲突[2]。但这似乎对鸟类没什么影响，因为它们非常擅于快速感知、处理和行动。我们还可以参考在零反馈和控制下能稳定滑翔的植物种子；但这些种子的特点是它们拥有很大的专属空气动力学表面，无论是作为平移或自动旋转的翼面，还是作为“伞降”时的羽翼。还有一个借鉴对象可能会让人感到意外，它正是Isaac Yeaton及其合著者的研究对象——飞蛇。研究团队在《自然-物理》上发表了论文[3]，研究了这种蛇如何在滑翔中实现某种形式的“功能”稳定性——目前还没有一个更好的词来描述它。

乍看之下，这些动物的滑翔表现令人震惊。有些人可能会将水平夹角45°作为区分滑翔和伞降的界限。从离地八米处自己飞出的蛇只能水平移动三到四米，相当于滑翔角度为65°左右，或是垂直夹角25°。考虑到蛇的“装备”，这样的成绩可能不算太糟：虽然有点平，但它们没有翅膀，没有舵，也没有平衡器。它们的表现完全可以比这更差。这些蛇既有可能头部先着地，也有可能翻滚着从任何方向着陆（图1）。

由此引发了飞蛇是如何在滑翔中实现“功能”稳定性的问题。为了找到答案，Yeaton与合著者对飞蛇进行了测量和模拟，极大地增加了这两方面的复杂性。作者利用运动与临床生物力学领域常用的动作捕捉技术得到了飞蛇的三维动力学数据，对蛇的运动进行分析，并将其简化到一系列水平和垂直波动，从而能用两个术语描述观察和未观察到的各类体形，以及由于行波在空中产生蛇形曲线而引起的体形变化。

无论是在沙子或树干上，还是在水里或飞行中，蛇在移动时都会左右摆动。Yeaton与合著者怀疑这种摆动可能对蛇起到了一种明确的、提高滑翔表现的作用。他们的研究目标是探索摆动能否为飞蛇提供一定程度的稳定性，他们想知道摆动是否仅仅是一种“行为上的残留”。

空气动力学领域有着各式各样的形式稳定性分析，但基本构成主要局限于刚性物体，这让研究人员很难想象如何将这些考量因素沿用到不断摆动的蛇的身上。这就需要建模和模拟。虽然传统的稳定性术语在这里不适用，但是，蛇水平滑行的距离越远——同时不翻滚、跌落或“偏航”——显然意味着更好。

为了演示身体摆动的效果，就需要评估合适的反事实选项。摆动的滑翔表现比不摆动更好吗？要回答这个问题需要一个模型——不仅能理解观察到的策略的效果，还能玩一个“假如。。。会怎样”的游戏，评估没有观察到的策略会产生哪些结果。

Yeaton与合著者开发的模拟基于简单的叶素分析，同时结合了蛇身体周围的空气动力学与惯性作用。不过，追踪与不断移动的空中蛇形曲线相关的几何图形以及入射气流速度，让这个过程变得较为复杂。一般而言，包含摆动的滑翔模拟比没有摆动的任何模拟表现得都好，即使这些模拟的体形只是观测到体形的快照。模拟的摆动滑翔接近于在真实飞蛇上测到的滑翔距离，而无摆动的模拟只是垂直下落，而且更容易发生翻滚。

Yeaton与合著者的研究留下了一些未解的问题。比如滑翔时的摆动是为了保持稳定吗？抑或是蛇运动的一种行为残留而已？这很可能是个伪二分法：说不定两个都是对的。但从转动和姿势的细节来看，一条蛇要在不摆动的情况下实现良好稳定的滑翔表现，也不是完全不可能。但是，这肯定不是这些蛇实际的飞行方式，因此，费力寻找这种反事实可能性的意义不大。

一直以来，解读动物为何会演化出特定的外形和行为，尤其涉及到稳定性时，都需要保持谨慎。考虑到鸟类滑翔看起来具有高度的被动不稳定性，也许被动不稳定不应被看作是不自然或是不好的适应结果。单单指出特定蛇的滑翔策略是不稳定的，并不足以表明这不是好策略：如果你能定格住猫头鹰某个真实的滑翔姿势，你会发现这只猫头鹰在被扔出去时是无法实现稳定滑翔的。

但Yeaton与合著者成功演示了功能稳定性可以利用蛇形身体的摆动来实现，而且这种稳定摆动的风格和体形与在真实飞蛇身上观测到的几乎一致。即使没有快速感知、处理和行动，也能在没有专门稳定性和控制表面的情况下，通过前馈运动控制启发实现基本稳定的滑翔。以上研究结果的普适性以及它们在机器飞蛇上的潜在应用带来了令人激动的探索前景。