许多工程师认为，依靠现有技术，还不能设计出一款重约1千克、可在10天内连续飞行10000公里以上的飞行器。从物理学角度看，这种飞行器无法携带飞行所需的能源。但是，当我们把目光投向天空时就会发现，迁徙的海鸟（斑尾鹬）不仅能做到这一点，而且可以飞得更远。

斑尾鹬至今保持着不间断飞行的世界纪录，在不降落、不进食的情况下连续飞行11677公里。它们从美国阿拉斯加起飞，穿越太平洋，一直飞到新西兰。这种体型小、优雅的海鸟能够如此高效地飞行，说明大自然暗藏着飞行的秘密。

从大自然中找灵感

自几十亿年前地球上出现生命以来，自然选择就一直存在。查尔斯·达尔文解释说，这种重要的进化机制促使物种适应环境变化。

面对飞行给人类智慧带来的挑战，自然界的进化与成就一直是先驱们模仿的对象。这类模仿有时会产生戏剧性结果，如人类的第一次飞行尝试。在受控动力飞行出现一段时间后，航空运输业兴起。经过百余年的发展，现在全球航空客运量每年超过了40亿人次。

随着技术不断进步，计算机功能日益强大，飞机变得更加高效。在过去50年里，飞机的燃油效率大幅提升，排放量不断减少。然而，只采用标准技术提升飞机性能，不仅无法满足行业对飞机高效运行的需要，还无法满足行业对节能减排的迫切需求。于是，飞机设计师将目光投向大自然，希望从中找到提升飞机性能的灵感。

然而，人类无法精确复制大自然。毕竟，飞机不是鸟，它们能够在超音速、高压和低温等极端环境中飞行，且比地球上任何动物都更大、更重。因此，向大自然学飞行的目的不在于简单模仿，而是要理解大自然的技术方法和策略，并从中找到灵感。

从生物界到飞机生产，这种参照与模仿可能需要多年的研发。在空客公司，工程师正密切关注未来产品创新的潜在来源。但是，究竟要从何处着手？假设捕食者必须比猎物更强、更快，那么将目光转向食物链顶端的生物似乎更为合理，如猛禽或鲨鱼。在航空业，人们谈到的“变形”、“健康”监测、“自我修复”、形状“记忆”合金、“鲨鳍小翼”等，都是工程师受自然界启发而进行的创新。

飞行控制与性能

莱特兄弟在19世纪末观察到鸟类只需轻微抖动翅膀尖端，即可调整飞行姿态或在失稳中恢复飞行。1903年，他们决定在“飞行者”上安装类似的机翼卷曲系统，完成人类史上第一次动力控制飞行。在随后不到10年的时间里，由于机翼变得愈加刚性，这一系统被机翼上的可移动表面取代。时至今日，现代飞机依然借助副翼或扰流板来应对飞行中的滚转。这可能是仿生学在航空业的首次成功应用。

高效飞行需要产生足够的升力，同时减小阻力，以便以最低动能保持前进。但是，提供升力的同时会产生一些阻力，即所谓的诱导阻力。除产生摩擦阻力和压差阻力外，机翼上还有一种由于升力产生而诱导出来的附加阻力，约占总阻力的1/3。

一般情况下，鸟的翼展越大，越利于飞行。例如，信天翁（展弦比高达15）能够利用海风获得升力，轻松飞行。现代商用飞机把展弦比限值增至9～10。一旦突破限值，减阻产生的好处就会被其他不足抵消。

为实现固定翼展的诱导阻力最小化，自然界展现出非同一般的创造性。一些大型鸟，如猛禽和鹳，在翼尖展开了巨羽。这些羽毛可以很好地驱散翼端附近的气流，使其形成翼尖涡流，产生诱导阻力。同理，为满足机场登机口空间要求，翼展被限制在80米以内的空客A380飞机在翼端安装了小翼，旨在提升空气动力性能。空客A320系列飞机也受益于一种新型的翼端装置——“鲨鳍小翼”，并减少了燃油消耗。

为保证飞行安全与飞机可控，着陆必须在低速情况下完成。然而，减慢速度需要额外的升力和阻力。飞机一般通过展开襟翼、增大攻角来实现减速。可以说，飞机和鸟类采用的是相似的策略，但鸟类的方法可能更先进。令人惊讶的是，一些鸟会展开小翼羽——翼前部一处覆满羽毛的趾，在翼前缘形成凹槽。有研究显示，这种功能可克服失速。商用飞机缝翼的设计正是基于这一理念。

在强风和乱流区域，一些海鸟已逐步具备对气流的被动控制能力，而不用消耗自身能量。例如，贼鸥在逆流中通过展开翅膀上的一些羽毛，防止气流分离蔓延至整个翅膀，因为大幅气流分离会导致失速。虽然这种被动控制的做法还没有用在飞机上，但机翼上配有可动翼面（如扰流板）控制翼上气流。

创新理念的多样化来源

生命的一个共同特点是形态的灵活性。与人、鸟或鱼相比，机器人、飞机或潜艇在形态灵活性方面就要差很多。鸟的特点在于不断变化翅膀的形状，确保以最佳姿态完成着陆、滑翔、捕食、潜水等各种动作。在航空术语中，以鸟翼为原型的这种机翼被称为多功能机翼。

商用飞机则以固定机翼结构为基础，这种设计主要是为了实现最佳巡航功能。其他操作则通过专门附加的可动设备实现，如扰流板、襟翼、缝翼、方向舵和起落架等。这些设备在飞行过程中通常为收起状态。

襟翼与缝翼的展开和收起被视为形态变化的主要阶段。但受成本与重量影响，飞机已无法超越现有的结构技术。智能材料等新技术正在为飞机“变形”概念带来新的希望。在诸多技术中，形状记忆合金可承受较大的变形并通过温度变化恢复到原始形状，压电材料在受到电压时也可产生机械应力。使用这些材料制成的结构可进行精准控制，实现飞机的无缝变形。这将彻底改变飞机性能，使其看起来与鸟类并无二致。

除变形概念外，编队飞行也给工程师带来了启发。我们都见过候鸟迁徙时的倒置“V”形队伍。针对鹈鹕编队飞行的科学研究表明，与单独飞行相比，鹈鹕在随行飞行时巧妙地利用头鹕外翼产生的升力，更多采用滑翔而非挥翅飞行。这种编队飞行可应用于航空业，尽管从各机场组成航队会花费一定时间，但这样可大幅减少洲际航班的排放量。

除鸟类之外，海洋动物甚至植物都是飞机创新的源头所在。尤其是材质以及物种本身与环境的相互作用，可激发工程师的创造力。

在海洋动物中，鲨鱼皮并非完全光滑，而是由凹槽状的微小结构（肤齿）组成。这与空气动力学家所持“表面越光滑，阻力越小”的观念相悖。深入研究表明，这些凹槽结构可明显减少摩擦，加快前进速度和提高能量使用率。因此，空客大白鲸运输机机面就带有类似鲨鱼皮的凹槽，试飞证实这种表面可减少燃油消耗和排放。这种设计让阻力下降几个百分点，成为提升飞机性能的重要环节。虽然前景看好，但制造商仍要面对并解决生产、可靠性（耐腐）和维修等方面的问题。

在植物界，莲花的出淤泥而不染引起了工程师的兴趣。研究显示，莲叶表面的微小结构可防止水滴扩散，水滴从莲叶上滑落时能够清除叶面上的污垢。这种自我清洁功能可用于飞机机舱配件涂层，防止机翼结冰。

（魏雪编译；指导老师：南京航空航天大学外国语学院朱波）