研究發(fā)現(xiàn) 蜜蜂被困在水中時(shí)會(huì)在海浪上形成波浪并形成水翼形

研究工程師Chris Roh(MS '13，Ph.D. '17)走在加州理工大學(xué)的校園時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)一只蜜蜂被困在Millikan Pond的水中。盡管這是常見的現(xiàn)象，但它使Roh和他的顧問Mory Gharib('83博士)發(fā)現(xiàn)了蜜蜂導(dǎo)航水和空氣之間的界面的獨(dú)特方式。

在加利福尼亞州長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的干旱期間，盧恩(Roh)監(jiān)視了蜜蜂，當(dāng)時(shí)池塘的噴泉關(guān)閉了，水還沒動(dòng)。該事件發(fā)生在中午左右，所以頭頂?shù)年柟鈱⒚鄯涞年幱爸苯油渡涞剿氐牡撞?，更重要的是，蜜蜂不斷地?fù)]動(dòng)著波浪。

當(dāng)蜜蜂努力進(jìn)入池塘邊緣時(shí)，盧武h注意到池底的陰影顯示了蜜蜂翅膀產(chǎn)生的波幅以及每個(gè)翅膀產(chǎn)生的干涉圖樣。撞向?qū)Ψ健?/p>

Roh說：“看到這種行為讓我感到非常興奮，所以我把蜜蜂帶回了實(shí)驗(yàn)室，以便對(duì)其進(jìn)行更仔細(xì)的觀察。”

Roh與加州理工學(xué)院的航空與生物啟發(fā)工程學(xué)教授Hans W. Liepmann教授Gharib合作，重新創(chuàng)造了Millikan Pond的條件。他們將水放入鍋中，使其完全靜止，然后將一只蜜蜂一次放入水中。當(dāng)每只蜜蜂在水中拍打時(shí)，濾光直接對(duì)準(zhǔn)它，在鍋底形成陰影。Roh和Gharib一次分別對(duì)33只蜜蜂進(jìn)行了幾分鐘的研究，幾分鐘后仔細(xì)地將它們sc出，讓它們從游泳中恢復(fù)過來。

11月18日，一篇描述他們發(fā)現(xiàn)的論文發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

蜜蜂落在水面上時(shí)，水粘在翅膀上，剝奪了它的飛行能力。但是，這種粘性會(huì)使蜜蜂拖拉水，產(chǎn)生波浪推動(dòng)其前進(jìn)。在實(shí)驗(yàn)室中，Roh和Gharib注意到所產(chǎn)生的波形從左到右是對(duì)稱的。蜂后的水中會(huì)產(chǎn)生帶有干涉圖樣的強(qiáng)大振幅波，而蜂前的表面則沒有大波和干涉。這種不對(duì)稱性使蜜蜂以最小的力向前推進(jìn)，大約是牛頓的20百萬分之一。(作為參考，由于重力，手握著一個(gè)中等大小的蘋果會(huì)在您的手掌上施加約一牛頓的力。)

加里卜說：“蜜蜂翅膀的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一種波浪，使其身體能夠向前騎行。” “它會(huì)向安全方向傾斜或沖浪。”

慢動(dòng)作視頻揭示了可能挽救生命的不對(duì)稱現(xiàn)象的根源：蜜蜂在向下推水時(shí)向后傾斜或向后彎曲(向上彎曲)，而不僅僅是在水中上下擺動(dòng)，而是蜜蜂的翅膀向后彎曲或向下彎曲，從水里出來。拉動(dòng)運(yùn)動(dòng)提供推力，而推運(yùn)動(dòng)是恢復(fù)沖程。

此外，水中的翼拍較慢，其沖程幅度(即翼拍打時(shí)翼行的距離的量度)小于10度，而在空中飛行時(shí)則為90-120度。在整個(gè)過程中，機(jī)翼的背面(或頂部)保持干燥，而底面緊貼水面。仍然附著在機(jī)翼下側(cè)的水為蜜蜂提供了額外的推動(dòng)力，以推動(dòng)蜜蜂前進(jìn)。

Roh說：“水比空氣重3個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是為什么它會(huì)捕獲蜜蜂。但是重量也使它對(duì)推進(jìn)有用。”

蜜蜂似乎無法產(chǎn)生足夠的力來直接將自己從水中解放出來，但是它們的翅膀運(yùn)動(dòng)可以將它們推到水池或池塘的邊緣，在那里它們可以將自己拉到干燥的土地上并飛走。Roh說，水蜂對(duì)蜜蜂的負(fù)擔(dān)比飛行要大得多，他估計(jì)蜜蜂可以使蜜蜂的活動(dòng)持續(xù)約10分鐘，從而為蜜蜂提供了一個(gè)固定的窗口來尋找水的邊緣并逃逸。

Roh說，這種運(yùn)動(dòng)從未在其他昆蟲中被記錄下來，可能代表蜜蜂的獨(dú)特適應(yīng)。

“在炎熱的天氣里，蜂箱需要水來冷卻，” Roh說。“因此，當(dāng)溫度上升時(shí)，工人被派去集水而不是花粉。” 蜜蜂會(huì)找到水源，將它們吞入體內(nèi)的一個(gè)特殊的小室，然后飛走。但是，有時(shí)它們會(huì)掉進(jìn)去。如果無法釋放自己，它們就會(huì)死亡。

在加州理工學(xué)院自治系統(tǒng)和技術(shù)中心(CAST)工作的Roh和Gharib已經(jīng)開始將他們的發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于他們的機(jī)器人研究，開發(fā)出一種小型機(jī)器人，該機(jī)器人使用類似的動(dòng)作來導(dǎo)航水面。盡管耗費(fèi)大量人力，但該運(yùn)動(dòng)有一天可以用于制造能夠飛行和游泳的機(jī)器人。

這項(xiàng)研究的標(biāo)題是“蜜蜂利用翅膀進(jìn)行水面運(yùn)動(dòng)。”