当一只雄性马蝇（hybomitra hinei wrighti）发现一只合适的雌性时，它会追上去，在空中抓住她，然后两人会一起掉到地上交配。这种行为并不令人惊讶，但速度却令人惊讶。佛罗里达大学的昆虫学家杰瑞·巴特勒曾让一只雄性Hybomitra追逐一个从气枪中射出的塑料弹丸。“它在空中抓住了弹丸并掉了下来，”巴特勒说。根据弹丸的速度，他计算出这只苍蝇的速度至少达到了每小时 90 英里。
科学家们远未完全理解这些生物力学奇迹，但在过去的几年里，他们已经取得了良好的开端。一方面，他们现在有了一个可信的故事来解释昆虫飞行是如何演化的。即使他们不能完全解释一只虫子是如何捕捉飞驰的子弹的，他们至少有了一个空气动力学解释，说明为什么它能够保持在空中。在这两种情况下，关键的见解是：昆虫不像飞机。
如果一位航空工程师负责了会飞的昆虫的进化，他会让它们从最简单的飞行形式开始：滑翔。他会让它们在骨骼的两侧长出坚硬的翅膀，爬上一棵树，然后跳下去。一旦它们掌握了滑翔，昆虫就可以进阶到扇动、悬停，以及在夜间发出恼人的嗡嗡声。至少，这是 20 世纪 80 年代之前普遍存在的进化理论，当时卡尔顿大学的古生物学家 Jarmila Kukalova-Peck 出现了。“这就是我希望我杀死（推翻）的理论，”她说。
Kukalova-Peck 指出，滑翔理论不仅不切实际——在它们的翅膀长到足够滑翔之前，从树上跳下来的虫子可能会摔到嘴部——而且没有化石证据支持它。最早的会飞的昆虫化石可以追溯到大约 3.6 亿年前的石炭纪，它们显示出能够扇动的关节式翅膀，而不是为滑翔设计的坚硬翅膀。最早拥有翼状附肢的昆虫生活在水生环境中。它们与甲壳类动物（如虾）拥有共同的祖先，而虾也有关节式的腿和关节式的外骨骼。
甲壳类动物通过剧烈扇动它们分节的腿来游泳，这得益于从关节处长出的分支。Kukalova-Peck 认为——最近对甲壳类动物和昆虫进行的基因比较已经基本证实了这一点——在昆虫中，一对腿的第一个节上的扁平分支进化成了翅膀。即使在早期、短小的阶段，那些原始翅膀虽然对滑翔无用，但可能已经让早期昆虫逃脱了生活在它旁边的浮动植被垫上的蜘蛛或蝎子。通过伸展翅膀来捕捉风，昆虫可能会发现它可以在水面上滑行。笨拙地扇动翅膀，就像一只鸡一样，它可能会发现，一种适应于在水中移动的系统在空中也能发挥相当不错的作用。
当 Kukalova-Peck 重新思考飞行进化时，一位名叫 Charles Ellington 的动物学家也开始重新思考昆虫飞行的生物力学。当时占主导地位的观点是由 Ellington 在剑桥大学的导师 Torkel Weis-Fogh 提出的，即大多数昆虫的翅膀像飞机翅膀一样工作。当然，它们会上下移动，但这种运动产生的升力方式与固定的飞机机翼相同：当空气流过机翼时，它会向下移动以遵循机翼略微倾斜的表面。这种向下的气流降低了机翼上方的气压，将机翼抬起，足以让飞机——或虫子，Weis-Fogh 认为——保持在空中。
“他认为他已经 pretty well 解释了昆虫飞行的空气动力学，”Ellington 说。然而，当 Ellington 和其他研究人员将各种昆虫放入风洞时，他们测得的传统升力从未超过支撑动物重量所需升力的一半，有时甚至不到三分之一。显然，昆虫拥有航空工程师所不具备的秘密。
当昆虫的翅膀扇动时，其前缘向下向前，然后向上向后，描绘出一个扁平的数字八。这种运动导致昆虫的翅膀以很高的角度攻击迎面而来的空气。另一方面，飞机机翼的迎角相对较小，几乎与前进方向平行。增加迎角（通过向上倾斜前缘）可以增加升力，但仅限于某个点。对于典型的商用飞机来说，倾斜角度超过 18 度，气流就会脱离上表面，升力就会消失。这被称为失速。Ellington 发现，扇动翅膀的昆虫的秘密在于，它们始终处于失速的边缘，即升力最大的点。
20 世纪 90 年代中期，Ellington 抓住一只鹰蛾（翼展：四英寸），并将其固定在风洞的末端。然后，他用由油滴产生的频闪“烟雾”轰击它，并拍摄了它拼命扇动翅膀的画面。（为了让它休息，他让它抓着一张纸巾。）立体照片揭示了烟雾流过蛾子翅膀的一个关键特征：在前缘上方有一个巨大的涡流。Ellington 说，那个涡流产生了蛾子 70% 的升力。“涡流就像龙卷风，”他说，“它把翅膀吸上去。”
但是，为什么涡流不像失速的飞机那样脱离机翼呢？为了看到那种细节，Ellington 需要一只比鹰蛾大的昆虫。他需要“扇动者”（The Flapper）。“扇动者”是 Ellington 自己制造的一只仿鹰蛾的机器人（翼展：40 英寸）。它的翅膀有四个旋转轴，可以使其进行平滑、缓慢的数字八形运动。“完成一次扇动大约需要三秒钟，”Ellington 说。“这太棒了——你只需要搬一把椅子坐下来看着它。”
当烟雾碰到“扇动者”翅膀的前缘时，确实会形成一个涡流，但这个涡流会立即急转弯，沿着翅膀向尖端螺旋形扩散。通过向外排空空气，这种螺旋流可以防止涡流变得太大而必须脱离机翼并导致失速。螺旋流的来源很简单：当翅膀旋转时，尖端比基部移动的距离更远，因此移动得更快。“因为翅膀的外侧部分移动得更快，所以产生的升力更大，那里的吸力也更大，”Ellington 说。“因此，存在一个压力梯度将空气吸向尖端。”
Ellington 认为，一个稳定的前缘涡流是大多数昆虫保持飞行的原因。确实，这并不能解释它们的空中特技，但最近由加州大学伯克利分校的 Michael Dickinson 发现的另一个现象可能有所帮助。在每次向下和向上扇动结束时——当它进入数字八形运动的转弯处时——昆虫的翅膀会旋转，从而脱落前缘涡流。一瞬间，旋转会加速翅膀上方的气流，从而产生一股更强的升力。通过控制这些翅膀翻转的时机，昆虫可以控制升力的方向。这可能与H. hinei wrighti在空中转向并以每小时 90 英里的速度追逐经过的雌性有关。
在军方资助下，Ellington 和 Dickinson 现在都在尝试制造飞行微型飞行器。Ellington 说，为了有实用价值进行侦察，这些飞行器需要产生足够的升力来携带仪器载荷，并且理想情况下能够悬停。昆虫是高性能悬停的专家。但是，制造一架具有六英寸翼展、能够被操控且不会把自己震散的拍打式机器人，可能仍然超出了人类工程师的技能。Ellington 说，模仿昆虫翅膀的螺旋桨叶片——短而宽的叶片，具有高迎角——的微型直升机可能是一种更简单的解决方案。
另一方面，一个微型拍打式飞行器肯定会更有趣。“我从事拍打式飞行研究已经有我整个职业生涯了，”Ellington 说。“我一直以拥有一个遥控的小型飞行昆虫为最终目标。我的意思是，这就是全部！当能够做到这一点的那一天，我们就真正理解了拍打式昆虫的飞行。我们现在正开始接近它了。但我们还没到那里。”
Michael Dickinson 官方的昆虫飞行实验室网站可以在 socrates.berkeley.edu/~flymanmd 找到。
