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鸟群的秘密：解锁飞行队形之谜
鸟类如何集群飞行一直是个谜。研究人员通过数学模型揭示了以前未知的空气动力学效应，解释了鸟群如何保持队形飞行并节能，该研究还将在交通和能源领域带来潜在应用。
抬头仰望春日初升的蔚蓝天空，你或许会看到成群结队的候鸟正朝着北方整齐迁徙。但这些生物究竟是如何如此协调、看似毫不费力地飞行的呢？
一项发表在最新期刊上的研究报告称，答案的一部分在于一种精准且之前未知的空气动力学互动。这项突破性研究不仅拓宽了我们对野生动物(例如成群游动的鱼类)的理解，还可能在交通和能源领域带来意想不到的应用。
“这一研究领域非常重要，因为众所周知，动物们会利用其他群体成员扰动的气流或水流来节省移动所需的能量，从而降低阻力，” 纽约大学数学科学研究所库朗特研究院的副教授 Leif Ristroph 解释道，他是这篇发表于《自然通讯》杂志论文的资深作者。“我们的研究成果可能在交通领域(例如更高效的空中或水上推进)和能源领域(例如更有效地从风、水流或波浪中获取能量)得到应用。”
研究团队的结果表明，空气动力学效应会因飞行群体的规模而产生不同影响——有利于小型群体，却会扰乱大型群体。
“小型鸟群中的空气动力学互动有助于每个成员相对于其前导邻居保持特定的有利位置，但大型群体则会受到一种效应的干扰，该效应会使成员脱离这些有利位置，并可能导致碰撞，” 论文作者之一、巴黎综合理工学院的助理教授 Sophie Ramananarivo 说道。
此前，Ristroph及其同事们曾揭示鸟类如何集群飞行，但这些发现是通过模拟两只鸟互动的实验得出的。这篇发表于《自然通讯》杂志的新研究将范围扩展到更多飞行者的情况。
为了复制鸟类首尾相连的列队队形，研究人员创造了模拟鸟翼的机械襟翼。这些襟翼由塑料 3D 打印而成，并由电机驱动在水中拍打，以此复制空气在鸟类飞行过程中如何围绕鸟翼流动。这个“模拟鸟群”可以在水中推进，并能在队列中自由排列。
水流会以不同方式影响群体组织——这取决于群体的规模。
研究人员发现，对于最多约四只飞行者的小型群体，每只成员都会从空气动力学互动中获益，从而帮助其相对于邻居保持位置。
“如果一只飞行者偏离了其位置，那么前导邻居遗留的涡流或漩涡会将跟随者推回原位并将其固定在那里，” 当时在纽约大学应用数学实验室进行实验的 Ristroph 解释道，他也是该实验室主任。“这意味着飞行者可以自动且毫不费力地排成一个间隔均匀的队列，因为物理定律会完成所有工作。”
“然而，对于大型群体而言，这些水流互动会导致后面的成员被碰撞来回晃动，从而使队列崩溃。这意味着一些鸟类品种所见的超长队列实际上很难形成，后面的成员可能需要不断努力保持位置并避免撞到邻居。”
随后，为了更好地理解驱动实验结果的潜在力量，研究团队采用了数学建模。
通过这种方法，他们得出结论，邻近个体之间由水流介导的互动实际上是将每个成员固定在原位的“弹簧力”，就像火车车厢之间通过弹簧连接一样。
但是，这些“弹簧”只朝一个方向作用——领头鸟可以对后面的跟随者施加力，但反之则不行。这种非互惠的互动会导致后面的成员倾向于剧烈地共振或振荡。
“这些振荡看起来像波浪，会前后晃动成员，并在群体中传播并逐渐增强，导致后面的成员相互碰撞，” 当时还是纽约大学物理学研究生的 Joel Newbolt 解释道。
鸟类集群飞行的空气动力学互动这一发现拓宽了我们对野生动物的理解，并可能在交通和能源领域带来意想不到的应用。
研究团队将这种新型波命名为“flonon”，灵感来源于类似的概念“phonon”，后者指的是由弹簧连接的质量系统中的振动波，常用于模拟晶体或其他材料中原子或分子的运动。
“因此，我们的发现与材料物理学之间存在一些有趣的联系，因为有序鸟群中的鸟类类似于规则晶体中的原子，” Newbolt 补充道。
这项研究的其他作者包括库朗特研究院的 Nickolas Lewis、Mathilde Bleu、Jiajie Wu 和 Christiana Mavroyiakoumou。
