多翅自旋散布单元的气动特性与几何形态研究——以Getonia floribunda为例

《Nordic Journal of Botany》：Autorotating dispersal units of Getonia floribunda Roxb. (Combretaceae): morphology, aerodynamics and geometrical significance

本文系统研究了使君子科植物Getonia floribunda多翅果实的自旋散布机制，通过形态学观测、解剖分析、纸模实验和静空气坠落测试，揭示了翅片折叠角对终端速度的显著影响（R2=0.492-0.880），发现右倾前缘曲率是决定逆时针旋转的关键几何特征，为仿生飞行器设计提供了新思路。

　　

发育过程与形态特征

Getonia floribunda的散布单元由花部结构发育而成，历时1-2个月完成从花蕾到果实的转化。成熟果实具5枚（偶见6-7枚）宿存花被片构成的翅状结构，呈空间三角锥形排列。果实基部具明显缢缩和棱脊结构，翅片线形倒卵状，长1.0-1.7cm，背腹面分化明显：背面光滑凸起，腹面凹具脉脊和密集绒毛。显微结构显示翅片含3条维管束，成熟期细胞间形成大量气室以减轻重量。

自旋机制与空气动力学

散布时果实沿垂直轴进行逆时针自旋，经历短暂的翻转阶段后进入稳定旋转期。该运动由重力（F_G）、升力（F_L）和阻力（F_D）共同作用。翅片右倾的前缘曲率（当果实正面朝观察者时）通过牛顿第三定律产生反作用力，形成力偶驱动逆时针旋转。纸模实验证实，改变曲率方向会导致旋转方向逆转。绒毛结构增加表面粗糙度，通过扰动气流增强拖曳力，而背腹面压差促进姿态翻转。

形态参数与飞行性能

对四个产地样品的测量显示，翅片折叠角（16.2°-89.8°）与下降速率（0.87-2.12m/s）呈显著正相关（p<0.05）。多元回归分析表明，翅片折叠角比翼载（wingloading）对终端速度具有更强预测力（R2最高达0.880）。较大的折叠角减小旋转惯性矩，提高角速度，但会导致更快的沉降。翼载与旋转时间负相关，而翻转时间与下降速率无显著关联。

功能适应与仿生启示

五翅空间布局提供稳定旋转轴心，维管束网络构成力学支撑框架。翅尖渐细设计减少翼尖涡流，拱形剖面实现零攻角升力。研究揭示了植物通过几何形态优化实现飞行效能的现象，为微型飞行器翼型设计提供了仿生学参考，尤其在多旋翼飞行器气动布局方面具有应用潜力。