專業 是 工程學 的 分科 之 一 ， 我 是 如此 ， 相信 你 也 是 。 動物 拍拍 翅膀 ， 那 根本 不 干 我們 的 事 。 請 你 好自為之 ， 講講 飛機 的 原理 就 好 。 」 萊特 兄弟 雖 曾 研究 禿鷲 的 翱翔 方式 ， 但 飛機 的 飛行 原理 卻 與 鳥類 或 昆蟲 沒 什麼 關係 ， 而且 長期 以來 ， 人類 的 飛行 理論 都 無法 解釋 昆蟲 所 產生 的 上升 力道 ； 方程式 告訴 我們 ， 這 類 生物 不 該 具有 飛行 能力 才 對 。 說到 我們 不 曉得 牠們 怎能 飛行 這 件 事 ， 還 真 該 打 屁股 呢 ； 人類 如果 能 以 兩 倍 音速 從 倫敦 飛到 紐約 ， 又 怎麼 會不了 解 航空 動力 學 這 另 一 種 形式 呢 ？ 然而 ， 經過 近 幾十 年 的 鍥而不舍 ， 昆蟲 飛行 的 複雜 特性 已 由 英國 與 美國 的 生物學家 解開 一大半 ， 而 這 門 科學 的 發展 也 讓 工程師 可以 考慮 製造 會 拍打 翅膀 的 飛行器 了 。 不過 ， 什麼 樣 的 飛機 會 拍打 翅膀 呢 ？ 顯然 ， 這 種 飛機 必定 無法 和 五百五十 人座 的 A三八○ 空中 巴士 相提並論 。 美國 國防 高等 研究 計畫 署 於 一九九六年 啟動 一 項 開發 計畫 ， 預計 耗資 三千五百萬 美元 ， 打算 發展 「 微型 飛行 載具 」 （ micro aerial vehicles , MAVs ） 。 這 個 構想 要 回溯到 一九九二年 ， 當時 國防 高等 研究 計畫 署 舉辦 一 場 主題 為 「 未來 科技 所 推動 的 軍事 戰術 革新 」 研討會 ， 會 中 有 一 項 議題 為 「 行動 微型 機器人 」 ， 各 種 研究 都 顯示 這 個 概念 可行 ， 號聲 已 響 。 但 後來 ， 國防 高等 研究 計畫 署 於 一九九九年 正式 終止 計畫 ； 這 很 常見 ， 時程 太 緊 ， 野心 卻 太 大 。 不過 ， 這 類 研究 工作 還是 在 幾 個 實驗室 裡 持續 進行 。 國防 高等 研究 計畫 署 的 研究 目標 是 要 製造 一 具 飛行 載具 ， 大小 能 裝進 十五 公分 的 圓球 內 ， 重量 不 超過 一百四十 公克 ， 飛行 時間 長達 兩 小時 ， 飛行 範圍 十 公里 ， 能 在 每 小時 五十 公里 的 風速 下 活動 ， 而且 不 需要 領航員 坐 在 控制 面板 前 遙控 導引 就 能 機動 運作 。 這 種 特定 的 飛行 載具 不 要求 也 不 需要 振翅 飛行 ， 但 另 有 兩 組 人馬 決定 要 走拍 打 翅膀 的 路線 ， 兩 方 分別 以 美國 加州 大學 柏克萊 分校 的 費林 （ 我們 已經 見識 過 他 的 壁虎 研究 ， 詳見 第四 章 ） 與 英國 肯菲爾 大學 的 茨畢考斯基 為首 ， 而且 走 的 方向 大異其趣 ： 茨畢考斯基 設計 的 機器 全 長 十五 公分 ， 是 國防 高等 研究 計畫 署 訂定 的 大小 ； 費林 做 的 尺寸 就 小 多 了 ， 只 有 一 隻 綠頭蒼蠅 （ 翼展 二點五 公分 的 大型 家蠅 ） 那麼 大 。 飛機 的 飛行 原理 在 了 解 昆蟲 如何 飛行 以前 ， 值得 先 溫習 一下 飛機 是 怎麼 飛 的 。 儘管 飛行術 經過 了 百 年 的 革新 （ 從 第一 架 雙翼機 在 草地 上 跌跌撞撞 ， 一直 發展到 洛克希德 公司 的 黑鳥 偵察 機能 以 時速 三千二百 公里 飛行 於 二萬六千 公尺 高空 ） ， 不過 讓 飛機 飛上 天空 且 不 掉下來 的 原理 並 未 改變 ， 唯一 例外 大概 只有 海獵鷹式 （ Harrier ） 垂直 起降 戰鬥機 ， 可 由 垂直 引擎 推進 而 垂直 升空 ， 之後 再 切換成 正常 的 飛行 模式 。 若要 能 飛翔 ， 也 就 是 機翼 能夠 穿過 空氣 、 水平 移動 ， 便 需要 藉助 流經 機翼 的 空氣 所 產生 的 強大 上升力 。 為 了 達到 這 個 目的 ， 上翼面 比 下 翼面 要 圓 ， 機翼 前端 也 比 後端 要 圓 。 因此 ， 機翼 的 截面 ， 也 就 是 所謂 的 翼剖面 ， 看來 像是 細長 的 淚珠 （ 圖 7.1 ） 。 氣流 衝擊 機翼 前緣 之後 會 分叉開來 ， 分別 流經 機翼 的 上方 與 下方 而 產生 升力 。 我們 都 知道 這樣 一定 有效 ， 因為 我們 把 身家 性命 全 交給 這樣 的 作用 。 不過 氣流 能夠 如此 ， 其實 有一點 違反 直覺 。 請 想像 空氣 中 布滿 了 肉眼 可 見 的 粒子 ， 這些 粒子 會 被 空氣 帶 著 走 ， 行經 的 路線 即 所謂 的 流線 。 空氣 衝擊 機翼 前 ， 氣流 是 對稱 的 ， 因此 流線 呈 平行狀 ， 彼此 的 間隔 都 相等 。 空氣 衝擊 機翼 之 際 ， 機翼 的 曲線 形狀 會 使 氣流 不 對稱 地 叉開 ； 在 機翼 上方 ， 粒子 被迫 靠 得 較 近 ， 也 就 是 流線 靠 得 較 近 ， 這 表示 機翼 上方 的 氣團 要 比 下方 氣團 擠過 更 窄小 的 區域 。 在 這 種 情況 下 ， 機翼 上方 的 空氣 若 不 想 受到 壓縮 ， 唯一 的 辦法 就 是 要 流動 得 比 機翼 下方 的 空氣 還 快 。 因此 ， 流線 不再 彼此 平行 ， 而是 變 得 彎曲 ， 且 在 機翼 上方 維持 較為 密集 （ 換言之 ， 把 上方 的 粒子 搬送 得 比 下方 還 快 ） 。 這 額外 的 速度 是 由 空氣 壓力 提供 能量 ， 這樣一來 造成 壓力 降低 ， 機翼 上方 的 壓力 就 會 比 下方 的 壓力 低 ， 於是 對 機翼 造成 一 股 向 上 的 壓力 ， 也 就 是 升力 。 飛機 與 昆蟲 的 飛行 方式 有 著 根本 上 的 不同 。 對 沉甸甸 的 飛機 而言 ， 最 主要 的 挑戰 是 重力 ， 不過 對 小型 生物 來 說 ， 重力 的 重要性 就 小 多 了 ， 昆蟲 甚至 能 從 極 高處 墜落 而 毫髮 無傷 。 這 是 因為 空氣 阻力 取決 於 物體 所 呈現 的 二 維 表面積 ， 重力 則 作用 於 三維 的 質量 ； 正 如 我們 討論 壁虎 時 所 看到 的 ， 物體 愈 大 （ 長度 變長 ） ， 質量 （ 長度 的 三 次方 ） 和 表面積 （ 長度 的 二 次方 ） 相比 會 大 得 不成 比例 ， 反之亦然 。 所以 ， 小型 生物 在 空中 會 緩慢 落下 ； 說 實在 的 ， 它們 就 是 自己 的 降落傘 。 此外 ， 萬物 在 空氣 中 落下 時 ， 都 會 在 空氣 阻力 與 重力 「 相等 」 之 際 達到 最 大 速度 ， 例如 直徑 一 公尺 的 球體 在 空氣 中 的 最 大 速度 是 每 小時 一千一百三十八 公里 ， 而 直徑 一 公釐 的 球體 只 有 每 小時 十三 公里 。 不過 ， 空氣 若 會 阻止 輕飄飄 的 生物 往 下 掉 ， 那麼 當 生物 振翅 飛翔 的 時候 ， 空氣 也 會 對 拍打 翅膀 的 動作 造成 某 種 程度 的 限制 。 昆蟲 的 第一 種 法門 ： 複雜 且 有效