2.4 抗弯曲结构
——鸟类羽轴

随着自然的进化，大千世界存在许多飞行动物。鸟类作为自然界最好的飞行家，具有极强的飞行能力。在飞行过程中，其主要依赖羽翼执行飞行动作，当鸟类等飞行动物沿水平路线飞行时，翅膀向前下方挥动产生升力和推力，当推力超过阻力时，并且升力等于体重时就能保持继续向前的速度。鸟类所受的升力与阻力的比值越高、滑翔角度越小时，鸟类的下沉速度也越慢，可以产生较远的水平滑翔距离 ^[6] 。作为鸟类最基本的飞行方式之一，扑翼飞行方式可以使鸟类凭借健硕的肌肉扇动双翼产生运动所需的能量，从而促进翅膀规律运动的产生 ^[7] 。相比滑翔飞行而言，扑翼飞行的优越性更为明显，可提供持续的推力、提高续飞能力、降低总能耗、提高运动灵活性和稳定性。而扑翼飞行靠单一系统无法执行，需要整个系统合作完成，其中羽毛的存在对鸟类的飞行起到了至关重要的作用。鸟类翅膀的形状、翼幅、负载、翼面弧度、后掠角以及飞翔的位置，均随每一扇翅而发生显著变化。

羽毛是鸟类特有的表皮衍生物，同时承担着保暖和飞翔的两种功能。根据形态特征，可将羽毛划分为正羽（亦称廓羽）、绒羽、半羽、纤羽、刚毛等类型。正羽由羽轴及其两侧的羽翎组成。多个羽枝构成羽翎，羽枝在羽翎上以平行排列的方式排布，其与羽轴之间往往呈现不平行，且存在一定的夹角。我国科学家提出鸟类羽毛的早期演化主要经历四个阶段：首先鳞片延长，其后鳞片中部增厚、出现羽轴，分化出羽枝，最后长出羽小枝和羽小钩等构造，形成了现在常见的羽毛，如图2-4所示。飞羽的主要载荷部位是羽片，但羽片的全部载荷都要通过羽轴传递给身体。因此，羽轴的力学性能对其最大载荷有着明显的影响。

羽轴如何承受这么大的载荷？这主要归功于羽轴包含皮质和髓质两部分，皮质位于外层，髓质位于内侧，被皮质包裹，我们可以把由皮质和髓质组成的结构看成一种三明治结构，这种结构使羽轴整体具有较高的杨氏模量。除此之外，髓质由大量的空泡状腔室组成，如图2-5所示，腔室间的紧密连接和对应力的传递效应有利于将点载荷转化成面载荷分配到整个羽轴，大大减小了受力点的折断风险。同时，腔室受拉伸和压缩变形，这种变形机制将使髓质产生蓄积较大的势能，并产生复制效应不断反馈于初始空间，这也是髓质对羽轴抗弯强度的主要贡献 ^[8] 。目前这种三明治结构广泛应用于包装工程，防止运输货物在车辆颠簸中受到损坏，未来也可应用于车辆、机械领域。