飞吧拉玛！

在加州大学伯克利分校山谷生命科学大楼的地下室，生物学家迈克尔·迪金森沿着一条煤渣砖砌成的走廊，走向一扇不知名的钢门。门后是一间没有窗户的小房间，里面堆满了高速摄像机、激光器和厚如蜘蛛网的计算机电缆。房间中央是一个玻璃罐，大到可以容纳一台自动售货机。这就是 Robofly。

这个油箱看上去是空的，只有一块形似昆虫翅膀的塑料，悬挂在机械臂上。但当迪金森打开过滤器时，油箱就会喷出一层奶油状的气泡雾。原来，这个油箱里装的是 2 吨矿物油。迪金森敲击键盘，机翼开始慢慢地在油中移动。它前后摆动，将气泡从杂乱无章的云变成慢动作的漩涡和落下的钻石帘幕。

迪金森站在 Robofly 面前，仔细观察着一个又一个的漩涡。一只真正的果蝇——毫无疑问是从其他实验中逃出来的——飘了过来，它的翅膀每秒扇动 200 次，激起微小的、看不见的漩涡。但迪金森对此视而不见。自从他在德国制造出第一台原型机以来，Robofly 已经让他痴迷了十多年。当时，他在水槽中使用糖浆。“实验室里到处都是糖，”迪金森回忆道，“女佣们罢工了。他们拒绝打扫我们的实验室，直到我的导师对这个黏糊糊的美国人采取措施。”

坚持是总结狄金森科学态度的一个很好的词。一旦他执着于一个问题，他就不会放手，直到解决它。在他的几乎整个职业生涯中，他一直被一个看似简单的问题所困扰：苍蝇是如何飞翔的？

尽管工程师们几十年前就搞清楚了如何制造能够飞越海洋的飞机，但昆虫的空气动力学仍然让他们困惑不已。飞机产生升力的方式可以用一个简单的概念来解释：机翼上方的气流产生的压力小于下方的空气，这种不平衡使机翼保持高空飞行。但是，尽管昆虫几乎没有大脑，但它们的复杂动作却远远超出了飞机的能力。它们比任何战斗机都转得快，而且可以倒着降落在天花板上。“这些动物可以完美地侧向移动，可以前后移动，可以原地旋转，”迪金森说。“每次我们做实验时，我们都会想知道这些芝麻大小的神经系统到底是怎么做到的？”

这个问题促使他不仅制造了 Robofly（比果蝇大 100 倍，但速度慢 1,000 倍），还制造了一系列奇特而又奇妙的机器，它们的名字包括 Robofly 新娘、Fly-o-rama 和摇滚飞行竞技场，所有这些机器的设计都是为了帮助揭示昆虫飞行的秘密。Dickinson 的电子邮件地址为“flyman”，他从这些设备中得到的答案可能有一天会让工程师们制造出米粒大小的自动飞行器，用于探索其他星球、飞入燃烧的建筑物搜寻受害者或监视军事对手——确切地说，就是墙上的苍蝇。“在他生物学家的外表下，隐藏着一位伟大的工程师，”伯克利电气工程师 Ronald Fearing 说，他曾与 Dickinson 合作制造机器人飞行装置。

去年，迪金森的研究为他赢得了麦克阿瑟“天才”奖学金，五年内无附加条件地提供 50 万美元的资助。麦克阿瑟奖学金的评选依据是他们非凡的创造力，以及未来取得重大进展的记录。迪金森是最后得知获奖消息的几位学者之一。当时他正和未婚妻在夏威夷徒步旅行，深入考艾岛的森林 18 英里。回到文明世界后，他查看语音信箱，发现有急切的留言要他给实验室打电话，但他的手机在雨中坏了，他没来得及回电话。最后，他在州立森林里找到了一个付费电话，他去那里观察了番石榴树上成群的果蝇。

迪金森今年 39 岁，身材矮小，戴着眼镜，有时在徒步旅行时会留着浓密的胡须，浓密到足以让人误以为他是个山地人。20 世纪 80 年代中期，他在华盛顿大学攻读神经生物学博士学位时，开始接触苍蝇。果蝇是这一领域的实验对象，因为它们只有大约 50 万个神经元，而人类大脑中有 1000 亿个神经元。苍蝇利用大多数神经元来收集感官信息，包括用眼睛获取光线、用嗅觉敏感毛发获取气味以及用翅膀后面的棒状陀螺仪保持平衡。这些信号通过神经系统传递，然后神经系统向翅膀发出指令。指令必须简单但又极其精确，因为翅膀拍打的间隔时间只有几千分之一秒。

作为一名研究生，迪金森研究了苍蝇翅膀上的天然应变计，这些应变计可以帮助苍蝇感知翅膀弯曲的程度。但在此过程中，有些事情开始困扰他。他想知道：“如果我不了解翅膀受到的力，我怎么能理解苍蝇翅膀上的传感器有什么用呢？”

几十年来，科学家们一直试图通过在风洞中测试昆虫翅膀模型来做到这一点。但在 1984 年，剑桥大学的生物学家查尔斯·埃林顿检查了已经积累的测量数据，发现这些数字不合逻辑。没有人能够解释昆虫实际产生的升力的一半。从那时起，研究人员提出了一系列昆虫可以在飞行中不可见地增加升力的方法。然而，评估这些理论是不可能的，因为要考虑的变量实在太多了：“地球上没有一台计算机可以告诉我们这些力是什么，”迪金森说。他决定采取另一种方法：“让我们直接测量它。”

迪金森知道他无法测量飞行中的活体昆虫所受的力：即使是最小的人造传感器也无法安装在苍蝇的翅膀上。所以他决定用机械苍蝇代替。棘手的部分是让它感受到苍蝇所受的力。昆虫周围的空气与大型动物周围的空气截然不同。对我们来说，空气细腻而滑溜。但在果蝇的尺度上，空气又厚又粘。

迪金森与德国马克斯·普朗克生物控制论研究所的卡尔·格茨合作，制造出了他的第一只机器人机翼。他发现，一只 2 英寸宽的机翼在糖浆中拍打时，所受到的力与一只小得多的果蝇翅膀在空气中受到的力相同。迪金森和格茨制作了这只机翼，并设计了一个简单的计算机控制发动机来使其来回拍打。当装有传感器的机翼在糖浆中挥舞时，他们在水槽中倒入了大量铝屑。然后，他们拍摄了旋转的铝屑的视频片段，并将其与传感器记录的力进行比较。

迪金森发现，苍蝇使用多种技巧来产生升力。其中一种技巧是让翅膀保持陡峭的角度。上部气流不是平稳地滑过机翼，而是沿着机翼前缘形成旋涡。这个涡流降低了机翼上方的气压，提供了额外的向上推力。

任何飞行员都会告诉你，将机翼倾斜成一个陡峭的角度是一种危险的策略。飞机爬升得越陡，流过机翼顶部的气流就越难附着在机翼边缘。当气流完全脱离时，飞机就会失去升力并失速。但苍蝇比飞机有一个优势：它们不必将机翼保持在固定位置。苍蝇来回扇动翅膀的速度非常快，以至于机翼前缘的涡流在机翼完成一次扇动之前没有时间脱离。在每次扇动结束时，苍蝇都会转动翅膀，以便可以将其朝相反方向扇动。这样就会产生一个新的涡流，而旧的涡流会无害地脱落，而不会导致失速。

后来对翼展为 25 英寸的 Robofly 进行的实验揭示了第二个升力来源，即苍蝇在拍打翅膀时旋转翅膀。旋转的物体（例如被击中并旋转的网球）将空气拉过其上表面，从而降低物体上方的气压，并将空气推向下方的相反方向，从而增加那里的气压。这种旋转力也是在苍蝇拍打翅膀时产生的，可以为昆虫提供高达其全部升力的三分之一。

苍蝇也能利用自己的尾流产生升力。当苍蝇在每次扇动翅膀时，翅膀上都会产生涡流，涡流会慢慢飘走，同时仍在旋转。迪金森发现，当苍蝇在下一次扇动翅膀时，尾流会推着翅膀，把它们举起来。

当迪金森破解昆虫飞行的物理原理时，他发现自己被机器人制造者所吸引。最近，他帮助伯克利的同事费林发明了微型机械飞行昆虫，这是一种长度不到一英寸的类似苍蝇的装置，由海军研究办公室和国防高级研究计划局资助开发。不过，到目前为止，这种机器苍蝇只能靠系绳飞行，而且只有一只翅膀。迪金森说，主要的限制因素是电池，目前电池太大太弱，无法实现长时间飞行。

迪金森对机器人的兴趣是作为一名生物学家；他并不渴望成为下一个奥维尔·莱特。他将飞行装置视为评估他对动物如何运作的看法的机会。“在生物学领域，你很少有机会通过建造某样东西来测试你的想法，”他说。

迪金森最近将实验室搬到了帕萨迪纳的加州理工学院，他和他的学生正在继续开发研究昆虫飞行的机器，比如摇滚飞行竞技场，这是一种果蝇飞行模拟器。竞技场是一个直径 6 英寸的空心圆柱体；其内壁上排列着 12,000 个发光二极管。迪金森的团队将一只苍蝇粘在竞技场中心的一根钢棒的顶端，让它的翅膀不受阻碍。苍蝇周围的墙壁会以不断变化的条形和方框图案亮起，让苍蝇误以为它在竞技场中自由飞翔。

当苍蝇试图转弯时，摄像机会检测到翅膀运动的变化，并将该信息传送给计算机，计算机会迅速改变墙上的灯光。苍蝇“认为”它真的在转弯，以避开障碍物。竞技场名称中的“摇滚”部分来自整个模拟器可以俯仰和偏航的方式，让迪金森和他的学生研究苍蝇如何利用陀螺仪进行转向。

这个竞技场帮助迪金森的团队开发了一套规则，他们认为这些规则控制着苍蝇的飞行方式。当苍蝇向一个物体移动时，物体在它的眼睛里会变大。如果物体在一只眼睛里比另一只眼睛里变大，苍蝇就会转身避开它；如果物体在前面直接膨胀，苍蝇就会伸展腿着陆。为了验证这一理论，迪金森和他的学生制造了一台名为 Flyball（想象眼球）的机器。

Flyball 是由安装在轨道系统上的摄像机组成的。它绕着一个装饰着随机的白色和黑色方块的竞技场飞行，将它看到的东西发送给计算机。计算机使用狄金森的规则来选择下一步要去哪里。狄金森希望它能像苍蝇一样做出转弯决定。“画一个图表没问题，但要真正建造一些东西，你真的必须言出必行。”如果他的判断正确，相机将采取与真苍蝇相同的飞行路径。如果不是，它可能会撞到墙上。

最终，迪金森希望把他对苍蝇飞行方式的所有了解应用到一个更大的问题上：昆虫飞行是如何进化的。昆虫可能在 3 亿多年前从身体的鳞片中进化出了翅膀。翅膀是它们成功的秘诀——飞行昆虫占地球上已知动物种类的绝大多数。自飞行起源以来，昆虫已经微调了它们的解剖结构以适应各种飞行方式，从蜻蜓宽阔的滑翔翅膀到黄蜂凶猛的战斗机攻击。“你必须先了解机制，然后才能理解行为是如何进化的，”迪金森说。

但迪金森很难想象有一天他会解答所有问题。“我们对苍蝇飞行的研究越多，我们就越意识到我们了解的太少了，”他说。

举个例子：在巡视了学生们的表现后，迪金森回到办公室，实验室的博士后研究员马克·弗莱 (Mark Frye) 想请他帮忙。弗莱正在编写一个计算机程序来模拟果蝇的飞行，这实际上是 Flyball 的一次演练。模拟果蝇使用团队制定的决策规则，在模拟场地中飞行。但程序不起作用。

“如果我只让它们朝一个方向转动，效果会很好，”弗莱说。但如果他让模拟苍蝇自己选择转向哪个方向，结果就会变得混乱。

迪金森提出了一些建议——也许可以让昆虫不仅对眼前的事物做出反应，还要对几分钟前看到的东西做出反应。他们试图弄清楚弗莱如何将其变成一个程序，过了一会儿，他们沉默了，两人都有点恼火。然后弗莱说出了三个词，这三个词是迪金森团队的座右铭，经常可以在实验室周围的黑板上看到它们：

“小型（脏话）机器人。”

迪金森微笑着重复了一遍这句话：“小机器人（脏话）”。这些看似简单的生物，从神经学角度来说，只不过是几个电路而已，却每次都能让他感到困惑。但事实上，迪金森的座右铭是一个充满爱意的词。“苍蝇是奇妙的东西，”他说。“地球上的每个人可能每天至少会看到一只苍蝇，但我们甚至没有注意到它们。就在我们眼皮底下，就是这些非凡的小机器。”

卡尔·齐默的著作包括《进化：一个思想的胜利》 。他目前正在写一本关于 17 世纪神经学起源的书。