翼龙如何为下一代飞行提供信息科学

1986 年 5 月 17 日，史密森尼国家航空航天博物馆在 安德鲁斯空军基地。 该模型被制作该传单的工程师和专家称为 QN，是巨大翼龙的半尺寸复制品 诺氏风神翼龙 这是十年前刚刚发现的。 QN 技术上称为扑翼机，因为它的飞行方式与鸟类相似，QN 是一个翼展 18 英尺的模型。 “我们必须像大自然一样经历发展的进化周期。 但我们每周大约运行一百万年，”项目负责人保罗·麦克雷迪告诉《科学》杂志。 洛杉矶时报 那年早些时候。 QN 已经耗尽了 70 万美元的资金，并艰难地完成了一系列的 崩溃 在扑动的飞机终于准备好起飞之前。

超过30万人 聚集 在空军基地，准备好观看翼龙（或类似翼龙的生物）6600 万年来首次升空。 这架类似爬行动物的飞行器在死亡谷的干旱沙漠中表现出色，IMAX 电影也是在那里拍摄的 在机翼上，所以游览安德鲁斯似乎很简单。 但活动结束后，人们可能想知道这些动物最初是如何飞到空中的。 在从用于将 QN 送入空中的拖绳中释放后不久，机械翼龙开始旋转并急剧转向，以至于 人造爬行动物的脖子折断了 然后它就坠落到了地上，没有头。

然而，尽管 QN 在公众面前感到尴尬，但扑翼机的灵感却一直存在。 20 世纪 90 年代初，当 QN 仍存放在史密森尼国家航空航天博物馆时，馆长拉塞尔·李 (Russell Lee) 提出，翼龙应该作为航空历史的重要组成部分纳入收藏。 Lee 表示：“为了开发这东西，我们投入了大量的思考和精力。”他补充说，尽管 QN 失败了，但它仍然是一架最先进的飞机。 现在，QN 的精神依然存在，因为专家们正在回到这些古老的生物身上，寻找新的飞行方式，从飞机上 类似翼龙的嵴 受翼龙启发的航天器探索火星的角落和缝隙。

尽管家族相似，翼龙并不是恐龙。 相反，它们是恐龙的近亲，具有许多相同的生物学特征。 热血的新陈代谢、覆盖着五彩羽毛的身体和轻质的骨骼帮助了翼龙的崛起，同时恐龙也开始在周围的陆地上活动。 2.43亿年前。 但翼龙的独特之处在于它们的翅膀。

翼龙的翅膀更像蝙蝠的翅膀，而不是鸟类的翅膀。 翼龙都有极其细长的无名指（相当于无名指），可能比它们身体的整个其他部分还要长。 这些超长的手指支撑着连接到爬行动物侧面和腿部的薄膜，有时在腿部和臀部之间附有一些附属膜。 尽管翼龙的头部、颈部和躯干上也有羽毛，但它们依靠这些坚韧的翅膀来飞翔。 但它们如何使用基于膜的翅膀困扰了古生物学家近两个世纪。

翼龙与任何活着的动物都非常不同，以至于博物学家最初不知道如何处理它们。 “第一只翼龙是在鱼龙和蛇颈龙等生物之前发现的，并且与我们所见过的任何东西都非常不同，”布里斯托大学古生物学家利兹·马丁-西尔弗斯通说。 1784 年，意大利博物学家科西莫·亚历山德罗·科利尼 (Cosimo Alessandro Collini) 对翼龙的解剖结构感到非常困惑，以至于他认为这种动物是游泳者，而不是飞行者。 他提出，每只手臂上的长无名指支撑着一个桨，用于在古代水道上推动自己。 直到 1800 年，专家们才开始意识到翼龙会飞，即使在那时，专家们对于翼龙是爬行动物还是更像奇怪的古代蝙蝠也存在分歧。 各种假说都是基于专家们没有任何背景的个人发现，直到 1834 年，德国博物学家约翰·雅各布·考普 (Johann Jakob Kaup) 最终创造了“翼龙”(pterosaur) 这个词，专家们最终同意这是一种奇异的扑翼爬行动物。

所以翼龙是爬行动物，它们会飞。 但如何呢？ 专家了解得越多，翼龙就变得越陌生。 他们可以想象一只小动物，比如牙齿错乱的动物，是如何 喙嘴龙——可能会像鸟一样扑向空中。 这个生物大约有乌鸦那么大。 但特别是在美国的发现表明，其他翼龙比任何曾经飞行过的动物都要大得多。 这些爬行动物比鸨鸟更大，比信天翁更大，1975 年古生物学家道格拉斯·劳森 (Douglas Lawson) 描述了可能是有史以来最大的飞行动物——风神翼龙翼龙，站立时与地面上的长颈鹿一样高，翼展长达 36 英尺。 马丁-西尔弗斯通说：“曾经飞过的最大的鸟类比大型翼龙小得多，”这种差异引发了一系列关于这些动物如何飞行的新问题。

想象一个 风神翼龙 仅仅在空中扑腾似乎很荒谬。 将翼龙想象成大蝙蝠或鸟类也没有提供太多清晰的信息。 如果它们悬挂在悬崖上——就像 翼龙在 幻想曲——这将需要大量高度和结构都合适的海边悬崖来支持此类动物的种群。 同样地， 风神翼龙 可能没有使用像这样的长跑道 信天翁奥维尔 在 救援人员。 这就需要多个长的、平坦的、完整的、不受骚扰的开放区域。 暴龙 出发时。 没有任何迹象表明存在如此原始、完美的翼龙跑道。 最重要的是，所有已知的翼龙足迹和足迹都表明它们是四足动物，在地面上笨拙地四足行走。 翼龙用四肢行走，翅膀折叠起来，移动速度不足以达到起飞速度。

这些并发症导致一些古生物学家提出，大型翼龙可能根本不会飞，而重建这些奇特的飞行者的成功的努力却步履蹒跚，这进一步证实了这一点。 QN 是重建空中翼龙的多次尝试的一部分，事实证明，这些尝试比最初预期的更加复杂。

但古生物学家一直坚持不懈。 了解翼龙的起飞对于理解已灭绝的爬行动物的生物学至关重要。 翼龙肯定有其他离开地面的方法。 在2008在研究了之前所做的事情以及翼龙可能具有的能力后，加州大学洛杉矶分校的古生物学家迈克尔·哈比卜提出，翼龙使用了一种独特的技术，称为四足发射，或四足发射。 这样想吧。 一只快乐的小翼龙折叠着翅膀在地上拖着脚步走来走去。 突然间，捕食者离得太近了——该生物需要起飞。 翼龙原地站立，将体重向后转移，然后像撑杆跳一样使用折叠的手臂，推动自己跳跃并张开翅膀。 强大的跳跃给了翼龙足够的动量，拍动翅膀可以使它们升空，无论它们小如啄木鸟还是大如战斗机，翅膀的每次拍动都会继续携带它们在空中飞行。

哈比卜对涉及的数据进行了分析——翼龙的重量、翅膀的表面积和其他变量——发现四轮发射适用于各种尺寸的翼龙，重达 600 磅。 小孩子也可以像大孩子一样使用这项技术。 更重要的是，这个概念似乎也适用于水——解决了大型翼龙如何喜欢无牙翼龙的谜团。 无齿翼龙 可以在古老的大海中央抓鱼，然后回到空中，而不必一路划回海岸。 在古代海洋沉积的岩石中发现的一些翼龙甚至显示出脚部软组织延伸的迹象，这是增加表面积并帮助它们立即从水中升起的一种方式。

人类一直对其他生物的飞行方式着迷。 长期以来，我们一直在尝试对其他生物进化的功能进行逆向工程，从注定失败的伊卡洛斯故事中的蜡和羽毛翅膀，到莱特兄弟在北卡罗来纳州基蒂霍克历史性升空之前阅读鸟类飞行的细节，于 1903 年。工程的整个子领域通常被称为仿生学或仿生设计，直接从鸟类羽毛、昆虫翅膀甚至翼龙膜中吸取经验教训。 而翼龙的奇异之处让它们显得格外有趣。

古生物学家伊丽莎白·马丁-西尔弗斯通、大卫·霍恩和哈比卜 建议 飞行的爬行动物可能为数百万年前进化解决的空气动力学问题提供独特的解决方案。 例如，了解翼龙的飞行方式需要对构成其翅膀的组织膜进行建模，这是一个空气动力学难题，引起了陆军研究实验室和古生物学家的兴趣。 哈比卜指出：“翼龙进化到可以做鸟类和蝙蝠未曾做过的事情，”例如几乎垂直起飞。 它们的尺寸也比任何其他飞行器都要大得多，与一些现代飞机的翼展相当，因此对消失已久的爬行动物的研究可以为更轻、更坚固的设计提供信息。

“如果我们有不同形态的东西，为什么不尝试一下呢？ 他们一定做了正确的事情，”马丁-西尔弗斯通说。 因此，她、哈比卜以及史密森尼学会、美国宇航局等机构的同事一直在思考翼龙如何改变我们的设计。

大型翼龙进化到能够在保持重量的同时实现大尺寸飞行，并且它们可以在有限的空间内起飞和降落，这些能力与航空航天设计直接相关。 哈比卜指出，翼龙进化来防止翼膜撕裂的解剖学解决方案可以应用于四轴飞行器、四旋翼无人机等飞机。 转子需要很薄，高速移动，并且在运动时能够抵抗撕裂，翼龙翅膀可以帮助实现这些特征的结合。

哈比卜说，在美国宇航局资助的卡内基梅隆大学的一个项目中，工程团队希望提出一种完全替代使用旋翼飞越火星表面的无人机的方案。 旋翼必须非常大才能为无人机产生足够的升力，因此在像行星科学家可能想要研究的特定陨石坑这样的狭小地点操纵基于旋翼的无人机可能很困难。 哈比卜建议说：“扑动翅膀在火星上效果很好，”特别是因为这颗红色星球上的重力较低。 因此，该团队进行了基于翼龙的设计，能够在狭小的空间内着陆，四轮发射并扑向下一个地点。

最重要的是，帐篷从翼龙身上受益，就像用于火星探索的无人机一样。 即使在高风速下，翼龙翅膀的膜也必须保持坚固、抗撕裂，同时保持薄。 它们机翼的形状和构成能够克服所谓的“气动弹性问题”，即柔软、柔韧的机翼在高速行驶时容易抖动的问题。 如果帐篷的框架和雨篷可以模仿翼龙翅膀并使用适当的材料，那么恶劣地区的野外工作队或电影摄制组的帐篷可以更好地抵御可能损坏营地的风暴。 哈比卜说：“翼龙必须进化出一系列解决方案来解决这个气动弹性问题，”这可能有助于防止人造材料在强风下破碎。

翼龙解剖学所揭示的一切并不一定看起来像史前动物。 “四发射无人机看起来像翼龙，”哈比卜说，“但还有其他更微妙的东西。” 对于那些怀念以翼龙为基础的《变形金刚》角色的人来说，这可能是个坏消息 俯冲。

哈比卜指出，虽然古生物学家和工程师不一定再关注像 QN 这样的翼龙，但他们仍然对翼龙可能教给我们的东西非常感兴趣。 毕竟，进化塑造了翼龙，以解决我们现在在寻求飞向天空和探索其他世界时遇到的许多相同问题。

第二张图片的完整功劳： 马克·威顿和达伦·奈什； Witton MP, Naish D (2008)“Azhdarchid 翼龙功能形态学和古生态学的重新评估”。 PLOS One 3(5)：e2271，来自维基百科，CC By-SA 3.0