观看飞蛇：它们不需要飞机

蛇并不总是会飞，但当它们飞起来时，它们会以一种动物界无与伦比的优雅姿态滑翔。树蛇（ Chrysopelea paradisi）会从树枝上飞下来时左右摇摆，然后落在 100 英尺外。这些飞蛇在扭动和旋转时，也会将身体压平，从底部向内卷曲。这种独特的动作和变形组合使它们能够控制滑翔飞行，就像在空中游泳一样。

杰克·索查 (Jake Socha) 和他的同事通过建立 3-D 蛇模型、运行大量模拟以及对周围三英尺长的蛇跳跃到空中的敏感度来弄清楚它们是如何做到这一点的。

索查是弗吉尼亚理工大学的助理教授和生物力学家，几年前他曾证明，这些飞蛇在飞行时会同时以两种方式移动它们绳状的身体。它们像鞭子一样扭动，可能使用与在地面上滑行相同的肌肉。它们会将臀部弄平，索查认为它们通过伸展全身的肌肉来实现这一点，有点像眼镜蛇通过张开肋骨来遮盖身体。

不管怎样，这种底部扁平的设计让蛇形看起来像糖果（或达斯·维达的头像、水母铃铛或鬼脸）。索查这样解释：“想象一下，你拿着一条长圆柱形的蛇，然后把它切成横截面。你把它切成两半，从两端看。一旦你看清了所有的血和内脏之类的东西，再看它的形状，它就像一个圆圈，是圆的。但在空中，它呈现出三角形。它有两个小边缘指向底部；它几乎是凹的。”

与非常高效的飞行器（如飞机机翼的流线型前缘）相比，这种结构似乎不太符合空气动力学。但索查和他的同事发现，这种结构却出人意料地符合空气动力学。蛇的整个身体都呈这种形状，这使得它的整个身体都能产生升力。蛇现在变成了一只机翼。这段视频演示了它的工作原理：

该团队希望弄清楚蛇的升力系数和其他空气动力学特性。但他们无法将蛇准确地放入风洞中，因此他们使用 3D 打印机制作了飞行配置形状的塑料棒，然后在水箱中用激光对其进行测试。模型上的传感器报告了围绕杆流动的水力，这可以作为围绕飞行蛇流动的空气的替代。

在反复测试中，他们将其倾斜到从 -10 度到 60 度的各种攻角。攻角的工作原理如下：如果你把手伸出行驶中的汽车窗外，并平放在风中，你的攻角为零。举起它就像在说“停”一样，那就是 90 度的攻角（这个角度不利于产生升力）。在模型蛇的整个倾斜过程中，团队发现 35 度的倾斜产生的升力最大——但飞行的蛇即使在极端角度也能产生升力。

“我们认为这有助于解释它的轨迹。当它跳出时，它大部分时间都在下落，而且会以陡峭的角度下降——但尽管如此，它还是能产生升力，”索查说。“它产生了一点升力，我们并不感到惊讶，但我们惊讶的是它的表现如此出色。”

在对飞蛇进行长达十多年的研究后，索查观察到天堂飞蛇在动物园和野外从树上飞出。他曾研究过天堂飞蛇的一些近亲，但它们在空中的飞行方式与这种蛇不同。这种飞行方式可能与它们飞行能力如此出色有关。

索查的实验室里有大约 20 条树蛇，下一步他想研究它们的三维飞行包络，包括它们的波浪起伏是如何发挥作用的。他指出，这一切对机器人设计师来说也很有用。

他说：“如果你能制造出一条机器蛇，让它能够做一些很酷的蛇形机器人能做的事情，比如缠绕在杆子上并往上爬，或者进入瓦砾之间的狭小空间，那么如果你还能让同一个机器人在空中飞行，那就太棒了。”

该论文发表在《实验生物学杂志》上。

参考文献：Holden, D.、Socha, JJ、Cardwell, N. 和 Vlachos, PP (2014)。飞蛇 Chrysopelea paradisi 的空气动力学：钝体的横截面形状如何影响滑翔性能。J. Exp. Biol. 217, 382-394。