惟有蜻蜓蛱蝶飞

在鸟类出现之前，天空的统治者是翼龙，更久以前，至少是翼龙统治天空一亿年前，昆虫已经飞翔在大地的上空，所以说，昆虫才是活跃在地球上空的第一批生物。

—【日】丸山宗利《了不起的昆虫》

“碧玉眼睛云母翅，轻于粉蝶瘦于蜂。”许多人的童年回忆里都有一群舞动着翅膀的可爱蜻蜓，它们是夏天的风景，是令人惊奇、惊艳、原始而又先进的昆虫精灵。蜻蜓的眼睛似碧玉晶莹，翅膀如云母透明，蜻蜓比蝴蝶更轻柔曼妙，比蜜蜂更婀娜苗条。作为一类重要的观赏昆虫，蜻蜓不仅色彩艳丽、体态轻盈，而且飞行灵动—谈情说爱、繁衍生息几乎都在空中进行，确实令人称奇。

远古天空真霸主

大约距今3.5亿年前，昆虫就演化出了令其他动物望尘莫及的飞行能力。然而，天空的首批征服者—蟑螂、蜉蝣、蚱蜢等昆虫并非技巧高超的飞行家，蜻蜓才是远古天空中最古老的霸主。英国昆虫学家戴夫·古尔森曾说：“第一种真正称霸天空的昆虫是蜻蜓，飞行迅速又敏捷，这肯定带给它们足以傲视地面动物的极大优势。”

如果说现代蜻蜓是娇小轻盈的妙龄少女，那巨脉蜻蜓就是五大三粗的彪形大汉，它出现于距今3.6亿～2.9亿年前的石炭纪。石炭纪又称“巨虫时代”，那时气候温暖、湿润，植被茂盛，大气含氧量很高，巅峰值达35%（现在约21%）。高含氧量的大气、丰富的食物以及缺少天敌和竞争者的优良环境，造就了一些体形巨大的节肢动物，如巨型蜘蛛、巨型马陆、莱茵耶克尔鲎等。昆虫界同样如此。巨脉蜻蜓的化石显示，其翼展达到了74厘米，是目前地球上出现过的最大的昆虫物种。它们不仅捕食昆虫，还捕食小型动物，就像远古天空的霸主，令其他动物望而生畏，避之不及。

气候变化是影响生物演化的重要因素。石炭纪末期到二叠纪早期，地球气候变得寒冷、干燥，大气含氧量急剧下降到约15%。此时，更为高等的、用肺呼吸的爬行动物（如恐龙）得以崛起，而古蜻蜓恣意生长的快乐日子到了尽头—称霸天空约1亿年之后，它们终被翼龙取代。作为空中无可争议的霸主，翼龙的地位持续了大约2.3亿年之久，直至距今6500万年前的“白垩纪—古近纪灭绝事件”导致恐龙灭亡。

娇小蜻蜓环球游

在昆虫飞行家中，黑脉金斑蝶因善于长途跋涉而闻名。其迁徙路径跨越了北美洲，单程飞行距离约4000千米。不过近年来，人们发现了一种体长仅4厘米的薄翅蜻蜓，其迁徙全程超过了1.5万千米。身体纤弱、娇小，看似不适合长途飞行的薄翅蜻蜓，竟然创造了昆虫迁徙距离的纪录！这不仅令黑脉金斑蝶等昆虫俯首称臣，也令鲑鱼、驯鹿、半蹼滨鹬等以长距离迁徙著称的脊椎动物相形见绌。遗憾的是，因为现有的追踪设备对于这一微型蜻蜓来说实在太大了，所以研究人员目前仍然无法描绘出它的详细飞行路线图。2005年，为了更好地追踪这种薄翅蜻蜓，普林斯顿大学的一个研究组设计了一款重量仅为300毫克的电子追踪器，可惜电池寿命太短，追踪时间只维持了10天。

目前，全世界有6000余种蜻蜓，几乎遍布地球的每个角落。大部分蜻蜓都会在一定的区域内安居乐业，只有约50种蜻蜓会进行长距离迁徙。多数已知的迁徙蜻蜓都出现在温带地区，其迁徙行为与鸟类相似—途中会有规律地停下来休息。为了增加栖息地数量，扩展生存范围，特别是寻找潮湿的地方繁衍后代，这些迁徙蜻蜓鼓足勇气，尝试一段遥远而危险的洲际旅行，它们不仅是横跨洲际寻找温暖气候的昆虫先驱，也可能是远途迁徙行为最古老的探索者、先行者。

蜻蜓的迁徙得益于它能随心所欲地操纵两对翅膀。其翅膀下拍产生升力，上挥产生推力，翅膀扇动形成涡流使其升腾，并且后翼能捕捉到前翼扇动时脱离的涡，从而增强后翼的升力而节省能量。飞行时，蜻蜓能够单独控制前、后翅的倾角以及振动的幅度和频率，通过不同的相位差实现各种飞行需求，从而克服旅途中的艰难险阻。蜻蜓还特别擅长借助风力滑翔。当蜻蜓进入低耗能的滑翔模式时，因为节省了大量的体力，所以可以飞得更久、更远。

与脊椎动物不同的是，昆虫的迁徙常常是跨越世代的。没有任何一只蜻蜓能在其短暂的一生中完成迁徙全程，它们常常需要经过几代的努力。基因测序证明，亚洲的薄翅蜻蜓和南美洲的薄翅蜻蜓在基因图谱上竟然拥有惊人的相似性，这证明它们可能是彼此交配繁衍而产生的后代。

看起来弱不禁风的蜻蜓竟然可以环游世界，实在是匪夷所思、令人钦佩！

翅膀仿生常热点

蜻蜓之所以能成为自然界优秀的飞行家，主要是因为经过3亿多年的进化后，其翅膀在形态、结构和功能等方面都得到了全面优化。

蜻蜓的翅薄而轻，厚度仅约两微米，质量仅占蜻蜓自重的2%左右，但其结构复杂，主要由翅膜、翅脉、翅结、翅痣等构成。

翅膜是翅膀主要的空气动力结构。蜻蜓的膜质翅膀洁净、轻薄而透明，看起来吹弹可破，实际有着非比寻常的强度和韧性，而且有自主修复功能。

翅脉是翅膀的主要支撑结构。翅脉的管状结构内部流动着血淋巴，可以防止翅膀变脆。翅脉在翅膜上构成清晰的网络，主脉呈四边形，次脉呈五边形或六边形。蜻蜓的翅膀看似为二维平面结构， 实际是三维空间框架。凭借着这种优化的结构，蜻蜓能够随着飞行环境的改变而调节自身的能量和应力，保证翅膀更具韧性。复杂的翅脉形成了独特的褶皱形貌，不仅提高了蜻蜓翅膀的强度，还使其拥有完美的空气动力学特性。蜻蜓翅膀优异的力学结构一直备受人们的关注，其独特的几何网络以及“膜—脉—膜”的三层结构赋予了翅膀质量轻、韧性佳、强度高的力学性能。

翅结位于翅膀前缘的中间位置， 是一个类似“三通管件”的结构。翅结将翅膀的前后两部分连接在一起，提高了翅膜的变形能力，并在飞行中平衡翅膀的前后两部分。

最特别的是，蜻蜓进化出了奇妙的“颤振消除器”—翅痣。翅痣是翅前缘的一块含有液体的角质加厚区，不透明，多为深褐色（少数为黄色）。如果没有翅痣，蜻蜓飞起来不仅会摇摇晃晃、飘忽不定，而且达到一定飞行速度时，会因为颤振而致翅膀折损。尽管翅痣的质量只占蜻蜓自重的0.1%左右，但它不仅能消除颤振，有效防止飞行中翅膀的断裂，还可提高临界飞行速度。

受翅痣的启发，人们在固定翼飞机的机翼内部增加了桁条和桁梁（相当于为机翼增加了一个配重），以此来提高机翼的强度，防止飞机出现因高速飞行产生的剧烈震动而引发机翼断裂的情况。

国人自古倡导人与自然和谐共处，为了既保护蜻蜓又满足孩子们爱玩的天性，古人发明了竹蜻蜓这种古老的玩具。这种简单、精妙、神奇的玩具曾令西方传教士惊叹不已。竹蜻蜓在18世纪传入欧洲，英国空气动力学家乔治·凯利通过研究、仿制、改进竹蜻蜓，悟出了螺旋桨的工作原理，并于1796年制作出了直升机模型。

随着空气动力学的发展和航空航天技术的愈加成熟，人们开始将飞行器的研究方向转向小型化和轻量化，微型飞行器迎来研制热潮。但因为微型飞行器的尺寸和质量都很小，因此产生的气动黏性力和阻力更加突出，易在机翼上发生边界层分离，导致飞行器因失速而失去升力。昆虫的翅膀薄而轻，富有弹性，具有较高的拍打频率，主要通过扭转翅膀来改变翅的运动方式从而控制飞行速度与方向、飞行姿态及悬停。在自然界中，扑翼形式被鸟类、昆虫和蝙蝠广泛采用，被认为是生物进化的最优飞行方式。有关扑翼的飞行机理和应用是仿生扑翼飞行器研究的热点之一，因为这种飞行器机动性最大，兼具固定翼飞行器速度快、航程远和旋翼飞行器可定点悬停的多重优点，所以被认为是最有前景的微型飞行器。

蜻蜓是研制微型扑翼飞行器最合适的仿生对象。科学家希望通过高速摄像系统对人为固定的蜻蜓的扑动过程进行动态捕捉，然后分析、研究蜻蜓飞行姿态的详细数据，并最终研制出体积更小、噪声更低、隐蔽性更强、飞行更灵活的仿生扑翼飞行器。不过，虽然科研人员对蜻蜓的飞行技巧进行了多年研究，但想要将其全部结合并运用，依然十分困难。经过十几年的发展，微型扑翼飞行器的研制取得了不小进展，但在动力装置、结构设计、飞行动力、姿态控制、能源设计等方面依然存在很多技术难题有待解决。蜻蜓翅膀的形态、结构、功能仍是当前仿生研究的热点之一。

大自然中舞动的蜻蜓演绎着生命的绚烂与热烈，它让人心情愉悦，助人消愁解闷。许多人都羡慕蜻蜓逍遥自在、超然洒脱、追求至境的飞行，甚至幻想过与它们一起流连缱绻在绿色的荷塘里、青翠的浮萍上、柔软的红蓼梢头……蜻蜓那优雅的飞行姿态永远寄托了人们对于飞行的渴望。

【责任编辑】谌 燕