摘要：從鑒賞描寫蜻蜓的古代詩詞入手，介紹了蜻蜓這種經過億萬年進化昆蟲的神奇流體力學特性。重點介紹了蜻蜓的復眼、蜻蜓翅膀消除振顫、蜻蜓表皮的超疏水與鱗片減阻、蜻蜓幼蟲的噴水推進等力學特性及其對工程技術發展的重要啟示，同時介紹了蜻蜓機器人的發展現狀。
關鍵詞：蜻蜓，復眼，機翼振顫，超疏水，蜻蜓機器人
一、蜻蜓是詩人和畫家筆下永恒的主題
碧玉眼睛云母翅，輕于粉蝶瘦于蜂。
坐來迎拂波光久，豈是殷勤為蓼叢。
這是晚唐五代詩人韓偓（約842年-923年）寫的《蜻蜓》，在這首詩中，經過詩人的生花妙筆，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的姿態描寫得活靈活現、生動傳神。
泉眼無聲惜細流，樹陰照水愛晴柔。
小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭。
這首《小池》是宋朝詩人楊萬里（1127年-1206年）所作的一首家喻戶曉，膾炙人口的小詩。在這首詩里，詩人通過對初夏荷塘明媚風光入細入微的觀察，運用豐富新穎的想象和擬人的手法，生動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），生靈活現地刻畫了小池的勃勃生機，非常生動地反映了蜻蜓、自然與人構成的一組詩情畫意。表現出詩人對大自然景物的熱愛之情。
圖1 小荷才露尖尖角，早有蜻蜓立上頭
自古以來蜻蜓就常被詩人用以描寫恬靜宜人的美好景色，借以抒發細膩的情感，唐朝詩圣杜甫（712年-770年）是描寫蜻蜓最多的詩人。
《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，人生七十古來稀。
穿花蛺蝶深深見，點水蜻蜓款款飛。
傳語風光共流轉，暫時相賞莫相違。
這首詩寫出了詩人在“朝回日日典春衣，酒債尋常行處有”的窮困潦倒境況下，仍然對明媚春光無比的眷戀和熱愛之情。
《重過何氏》（唐）杜甫
落日平臺上，春風啜茗時。
石闌斜點筆，桐葉坐題詩。
翡翠鳴衣桁，蜻蜓立釣絲。
自今幽興熟，來往亦無期。
這首詩描寫一個春日的傍晚，作者在平臺上飲茶。興致來時，便倚著石闌在桐葉上題起詩來。旁邊還有翡翠鳥，蜻蜓與之作伴。此情此景，簡直可以繪成一幅雅致的“飲茶題詩圖”。
《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，更有澄江銷客愁。
無數蜻蜓齊上下，一雙鸂鶒對沉浮。
東行萬里堪乘興，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？”，描寫了杜甫遠離官場，淡泊名利，不隨波逐流，雖隱沒鄉野，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。
《風雨看舟前落花，戲為新句》（唐）杜甫
江上人家桃樹枝，春寒細雨出疏籬。
影遭碧水潛勾引，風妒紅花卻倒吹。
吹花困癲傍舟楫，水光風力俱相怯。
赤憎輕薄遮入懷，珍重分明不來接。
濕久飛遲半日高，縈沙惹草細于毛。
蜜蜂蝴蝶生情性，偷眼蜻蜓避百勞。
這是杜甫在去世前幾個月所作，詩人借桃花衰落投影自己。“偷眼蜻蜓”也因為害怕被百勞鳥吃掉，避而飛去，不來親近桃花。暗喻杜甫晚年究困潦倒，四處漂泊，少有人真正同情他，但詩人始終保持自己高尚、純潔的人格，這些都和詩中的桃花有相似之處。
二、蜻蜓也是許多美術作品的主題
蜻蜓也是許多美術作品的主題，元代畫家王振鵬在《詠蜻蜓》一詩中這樣贊美蜻蜓：“伶爪細腰肩舞紗，英姿交織混沌天。疏影清潭輕點水，更立劍尖若等閑。”贊美蜻蜓不僅有著輕靈的英姿，而且有著卓爾不凡的氣質與稟性，“更立劍尖若等閑”——不僅優雅，而且高貴。
著名國畫大師齊白石(1864年-1957年)是畫蜻蜓最多的畫家。他一生畫了上萬只蜻蜓，他筆下的蜻蜓生動傳神，賦予了鮮活的藝術感染力。
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）等名家也都頗愛畫蜻蜓。
圖3 張大千《荷花圖》(引自網絡)
圖4 吳冠中1968年所作《紅蜻蜓》(引自網絡)
三、蜻蜓身上的力學奧秘
蜻蜓不僅是詩人和畫家筆下永恒的主題，作為地球上最古老的物種之一，經過億萬年的自然進化和演變，蜻蜓身上隱藏著數不清的科學奧秘，等待著人們去探索和發現。
3.1 蜻蜓的眼睛
蜻蜓是世界上眼睛最多的昆蟲。蜻蜓的眼睛又大又鼓，占據著頭的絕大部分，且每只眼睛又有數不清的“小眼睛”構成，所以稱為“復眼”（圖5）。它的復眼中一共有20000至28000只左右的小眼睛，是一般昆蟲復眼的10倍。這些“小眼”都與感光細胞和神經連著，每一只小眼睛都像一架微型照相機，周圍的物體不斷被攝入，形成感光圖像，從而可以快速識別物體的形狀和大小。復眼的弧形表面可照顧到各個方向，加之蜻蜓的大腦袋能靈活轉動，使蜻蜓的視野非常開闊，能向上、向下、向前、向后看而不必轉頭，即使目前最先進的拍攝系統也不如蜻蜓的眼睛。復眼除了能感受到物象外，還能測速，當物體在復眼前移動時，每一小眼依次產生出反應，經過神經傳導與合成加工，根據連續出現于小眼中的形象和時間，確定出目標物體的運動速度。但具體蜻蜓是如何將這些“小眼”撲捉到的感光信息經過神經傳導與合成，快速識別物體的，至今還是神經科學的一個謎。
人們模仿蜻蜓的復眼結構，發明了相機的多彩鏡（也叫多棱鏡）技術，研制出了復眼相機，多棱鏡的每個平面能把被攝影體折射出一個影像，從而用一個相機能拍攝出從多個角度拍攝的立體合成效果。但多棱鏡一般只能拍攝3--8個影像，比蜻蜓的眼睛還差得遠。用這樣的相機，可以觀察水中移動物體的三維速度。
圖5 用復眼相機拍攝的蜻蜓復眼結構
3.2 蜻蜓的翅膀
經過億萬年的進化演變，蜻蜓的翅膀形成了獨特的結構和特性，蜻蜓的前翅和后翅可以分別擺動，兩對翅膀以不同周率，一上一下地振動飛行，這種能力讓它可以用在空中劃出一個8字，亦可作出靜止、旋轉、前進、退后的飛行動作，即使目前最先進的飛行器，也不如蜻蜓能夠靈活機動地飛行。
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不會喪失飛行能力，卻會影響翅膀振動的正確性，使它們的飛行變得像“醉漢”似地搖搖晃晃，飄來蕩去。人們由此得到啟發，于是一項防止機翼顫振的發明問世了，即在飛機的機翼盡端的前緣部位，操作面上，設置一個加重裝置，有害的機翼振動便消除了（圖7）。這項發明不僅用在飛機的機翼上，還可以用于消除風力發電機葉片的振顫。
圖6 蜻蜓翅膀上的翼眼
圖7 機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層、蠟層和護蠟層組成，具有自清潔的功能，使得身體不沾灰塵，雨水也不會浸濕（圖8）。在表皮下有特化細胞組成的鱗片結構，具有很好的空氣動力學性能，使蜻蜓身體表面的空氣流動處于層流狀態，流動穩定，摩擦阻力很小。但是這些鱗片的結構是如何與氣流相互作用的，仍然是流體力學的前沿課題。實驗表明，當這些鱗片被去除后，蜻蜓的飛行就像過山車一樣，忽上忽下，非常不穩定，這時蜻蜓身體表面的空氣流動處于紊亂的湍流狀態，不僅不穩定，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，用于克服飛機的航行阻力，推進飛機航行，如果將飛機的表面加工成這樣的鱗片結構，不僅可以增強飛行的穩定性，還可以減小飛機與空氣的摩擦阻力，減少燃油的消耗和排放。
圖8 蜻蜓身體的超疏水現象
3.4 蜻蜓與泵噴推進
蜻蜓的幼蟲水蠆（圖9）是游泳專家，它采用的游泳技術是噴射式的，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技術就是根據這一原理發明的，采用此項推進技術，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生的噪聲，提高隱身性能和機動性能。
圖9 蜻蜓的幼蟲水蠆
約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的科學家們在“智能蜻蜓項目”中，通過模仿蜻蜓的一些巧妙結構，研制出一款形似蜻蜓的雙四軸飛行器，計劃發送到土星的衛星泰坦星上(Titan)，讓它在泰坦星上探索是否有生命存在的跡象。“蜻蜓”機器人，在兩個層面上裝有四對機器轉子，其外形與命名都與地球上的雙翅昆蟲相似，也能四處飛行。攜帶科學儀器的“蜻蜓”機器人能進行四種衛星探測。質譜分析法會揭示出泰坦星地表和大氣的構成成分。γ射線能譜測量法將測量泰坦星次表層的構成成分。氣象和地質物理傳感器將對泰坦星的大氣狀態，如風、壓力、溫度，以及地震活動進行分析。攝像機可以探測泰坦星表面的地質和物理特性，并幫助它尋找后續的著陸點（圖10）。
圖10 形似蜻蜓的雙四軸飛行器
霍華德休斯醫學研究所的研究人員開發了一個半機械的蜻蜓，成功地將一個裝有電子、傳感器和太陽能電池的小背包綁在了一只活的昆蟲身上，通過指甲大小的背包向昆蟲的大腦發送指令。研究人員首先采用了一種方法改造蜻蜓神經系統的基因，該基因能將一種名為ospin的光敏感蛋白質添加到神經元上，使其能夠對脈沖信號做出反應。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。這個系統推動了能量收集、運動傳感、算法、微型化和光遺傳學的融合，所有這些都運用到一個小到足以讓昆蟲“佩戴”的系統中（圖11）。
圖11 蜻蜓眼微型飛行器
德國費斯托公司研制了一款可通過手機進行控制的蜻蜓機器人“生物選擇者”，該機器人翼展可達到63厘米，體長達到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。與真實蜻蜓相似之處在于，“生物選擇者”的翅膀由9個伺服電動機操控，分別控制每個翅膀的振幅、頻率和沖角，使每個翅膀能夠旋轉90度，能夠向前、向后和側面飛行，以及減速和突然轉向，短時間內加速，甚至逆向飛行，它是能夠模擬直升機、有翼飛行器和滑翔機的任何飛行狀態的首個機械模型（圖12）。
圖12 “生物選擇者”蜻蜓機器人
五、結束語
自然界的生物經過億萬年的進化，適者生存，它們的身上有數不清的自然奧秘和科學原理等待我們去探索和發現，科學家也從未停止探索自然奧秘的腳步。隨著對自然奧秘探索的深入，我們對自然現象及其科學原理的認識不斷進步，科學技術不斷向前發展。
致謝：本文引用了部分網絡信息和圖片，僅作為科普教育使用，特此致謝。
（本文將于《力學與實踐》發表，版權為本刊所有）
《力學與實踐》編輯部
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