在加州大学伯克利分校生命科学楼的地下室里，生物学家迈克尔·迪金森沿着水泥块砌成的走廊，走向一扇毫不起眼的钢门。门后是一个狭小、没有窗户的房间，里面挤满了高速摄像机、激光器以及像蛛网一样垂挂的电脑电缆。房间中央是一个足够装下一台自动售货机的玻璃水箱。这就是“Robofly”。
水箱看似空空荡荡，只有一个形状像昆虫翅膀的塑料片，从机械臂上悬挂下来。但当迪金森打开过滤器时，水箱开始喷出奶油状的泡沫。原来，水箱里装有2吨矿物油。迪金森敲击键盘，翅膀开始在油中缓慢移动。它前后摆动，将气泡从杂乱的云团变成慢动作的漩涡和缓缓落下、如同钻石般的幕帘。
迪金森站在Robofly前，仔细观察着一个又一个漩涡。一只真正的果蝇——无疑是从其他实验中逃出来的——飘过，它的翅膀每秒扇动200次，搅动着自己微小、看不见的漩涡。但迪金森无视它。Robofly已让他着迷十多年，自从他在德国制造出第一个原型机以来。那时，他在水箱里用的是糖浆。“实验室里到处都是糖，”迪金森回忆道，“女佣罢工了。她们拒绝打扫我们的实验室，直到我的导师想办法管管那个粘人的美国人。”
粘性恰如其分地概括了迪金森的科学研究方法。一旦他盯上一个问题，就不会轻易放手，直到解决为止。在他近乎整个职业生涯中，他一直纠结于一个看似简单的问题：苍蝇是怎么飞的？
尽管工程师们几十年前就已经弄清楚了如何建造跨越大洋的飞机，但昆虫的空气动力学至今仍令他们困惑。飞机产生升力的方式可以用一个简单的概念来解释：机翼上方的气流产生的压力小于下方的气流，这种压力差使机翼保持在空中。然而，昆虫几乎没有大脑，却能做出远远超出飞机能力的复杂机动。它们的转弯比任何战斗机都快，并且能倒着停在天花板上。“这些动物可以完美地侧向移动，可以向后向前移动，可以原地旋转，”迪金森说。“每次我们做实验，我们都想知道，这些芝麻大小的神经系统到底是怎么做到这一切的？”
这个问题促使他不仅建造了Robofly——它比果蝇大100倍，慢1000倍——还建造了一系列越来越奇特而奇妙的机器，名称包括 Bride of Robofly、Fly-o-rama 和 Rock-and-Roll Fly Arena，所有这些都是为了揭示昆虫飞行的秘密。迪金森，他的电子邮件地址是“flyman”，从这些设备中获得的答案，或许有一天能让工程师们建造出米粒大小的自动化飞行器，用于探索其他行星，飞入着火的建筑物搜寻受害者，或者监视军事对手——字面意义上的“墙上的苍蝇”。“他内在的生物学家外表下，隐藏着一位伟大的工程师，”伯克利电气工程师罗纳德·费尔丁（Ronald Fearing）说，他曾与迪金森合作建造过仿生飞行设备。
去年，迪金森的研究为他赢得了麦克阿瑟“天才”奖，一项为期五年、无附加条件的50万美元奖金。麦克阿瑟奖得主因其非凡的创造力以及有潜力取得重要未来进展的过往记录而被选中。迪金森是最后得知获奖消息的几位获奖者之一。他当时正和他的未婚妻在夏威夷背包旅行，深入考艾岛森林18英里。当他回到文明世界时，他查看了他的语音信箱，发现了一连串要求他尽快回电话的紧急信息，但他的手机在雨中坏了，他没能回上任何电话。他最终在一个州立森林里找到一个付费电话，当时他去那里观察在番石榴树上聚集的果蝇。
迪金森是一个身材矮小、39岁的男人，戴着眼镜，有时还会留着浓密的胡须，看起来像一个登山者，这是他经常徒步旅行的形象。他是在20世纪80年代中期接触到苍蝇的，当时他在华盛顿大学攻读神经生物学博士学位。果蝇是这一领域的“豚鼠”，因为它们只有大约50万个神经元——而人类大脑有1000亿个。苍蝇利用大部分神经元来收集感官信息，包括用眼睛接收光线，用气味敏感的毛发感受气味，以及用翅膀后方的俱乐部状陀螺仪来感知平衡。这些信号通过神经系统进行处理，然后发送指令给翅膀。这些指令必须简单但极其精确，因为翅膀扇动之间的时间间隔只有几千分之一秒。
作为一名研究生，迪金森研究了苍蝇翅膀上天然的应变计，这些应变计帮助它们感知翅膀的弯曲程度。但在此过程中，有些事情开始困扰他。“如果我不了解翅膀遇到的力，我怎么能理解苍蝇翅膀上的传感器是用来做什么的呢？”他想。
几十年来，科学家们一直在通过风洞试验来尝试做到这一点。但1984年，剑桥大学生物学家查尔斯·艾灵顿（Charles Ellington）检查了收集到的测量数据，发现数字对不上。没有人能够解释昆虫实际产生的升力的一半。自那时以来，研究人员提出了许多昆虫如何能够悄无声息地增加飞行升力的方法。然而，评估这些理论是不可能的，因为变量太多了。“地球上没有任何电脑能告诉我们这些力是多少，”迪金森说。他决定采取另一种方法：“让我们直接测量它。”
迪金森知道他无法测量飞行中活体昆虫所受的力：即使是最小的人造传感器也无法装在苍蝇的翅膀上。所以他决定使用一个机械苍蝇。棘手的部分是如何让它承受与苍蝇相同的力。在昆虫周围，空气的流动方式与在大型动物周围截然不同。对我们来说，空气是轻盈而滑溜的。但在果蝇的尺度上，它却变得粘稠而厚重。
迪金森与德国马克斯·普朗克生物控制论研究所的卡尔·格茨（Karl Gtz）合作，制造了他的第一款仿生翅膀。他发现，在糖浆中扇动一个2英寸宽的翅膀所受到的力，与一个在空气中飞行的小得多的果蝇翅膀所受到的力是相同的。迪金森和格茨建造了翅膀，并设计了一个简单的计算机控制电机使其前后扇动。当带有传感器的翅膀在糖浆中挥动时，他们向水箱中注入铝屑。然后，他们拍摄了旋转铝屑的视频，并将其与传感器记录到的力进行了比较。
迪金森发现，苍蝇利用一些技巧来产生升力。一种技巧是保持翅膀处于倾斜角度。上方的气流没有平滑地流过机翼，而是在翼前缘形成一个旋转的涡流。这个涡流降低了机翼上方的气压，提供了额外的向上推力。
任何飞行员都可以告诉你，将机翼倾斜到很大角度是一种有风险的策略。飞机爬升的角度越大，流过机翼上方的气流就越难附着在翼缘上。当气流完全分离时，飞机就会失去升力并失速。但苍蝇比飞机有一个优势：它们不必将翅膀固定在某个位置。苍蝇扇动翅膀的速度非常快，以至于翼前缘的涡流在翅膀完成一次扇动之前没有时间分离。在每次扇动结束时，苍蝇会旋转翅膀，以便它们可以反向扇动。这会产生一个新的涡流，而旧的涡流则无害地脱落——不会导致失速。
后来使用Robofly进行的实验，其翼展为25英寸，揭示了第二种升力来源，这来源于苍蝇在扇动过程中旋转翅膀。一个旋转的物体（例如，一个带有后旋的网球）会带动其上方的空气流动，从而降低了物体上方的压力，并在下方增加了压力。这种旋转力，在苍蝇扇动翅膀时也会产生，可以为昆虫提供高达三分之一的总升力。
苍蝇还可以从自身的尾迹中产生升力。当它在每次扇动结束时释放出翅膀上的一个涡流时，该涡流会缓慢地飘开，仍然在旋转。迪金森发现，当昆虫在下一次扇动时将翅膀移回时，尾迹会推击翅膀并将其抬起。
随着迪金森破译昆虫飞行的物理学原理，他发现自己越来越接近那些制造机器人的群体。最近，他帮助他的伯克利同事费尔丁（Fearing）制造了微型仿生昆虫（Micromechanical Flying Insect），这是一种不到一英寸长的、类似食肉蝇的装置，由海军研究办公室和国防高级研究计划局资助开发。然而，到目前为止，这种仿生食肉蝇只能在绳索的牵引下飞行，并且只有一个翅膀。迪金森说，主要的限制因素是电池，目前电池太大太弱，无法实现长时间飞行。
迪金森对机器人的兴趣在于他是一名生物学家；他无意成为下一个莱特兄弟。他将飞行设备视为评估他对动物功能理解的机会。“在生物学中，你很少有机会通过建造东西来检验你的想法，”他说。
迪金森最近将他的实验室搬到了帕萨迪纳的加州理工学院，在那里他和他的学生们继续开发研究昆虫飞行的机器，例如Rock-and-Roll Fly Arena，这是一个为果蝇设计的飞行模拟器。这个场地是一个直径6英寸的空心圆柱体；12000个发光二极管排列在其内壁上。迪金森的团队将一只苍蝇粘在场地中心的钢杆尖端，使其翅膀不受阻碍。围绕着苍蝇的墙壁会以不断变化的条纹和方块图案亮起，让苍蝇误以为自己在场地中自由飞行。
当苍蝇试图转弯时，一台相机检测到翅膀运动的变化，并将信息反馈给一台计算机，计算机迅速改变墙壁上的灯光。苍蝇“认为”它正在真实地转弯，以避开障碍物。场地名称中的“Rock-and-Roll”部分来自于整个模拟器可以俯仰和偏航的方式，让迪金森和他的学生们研究苍蝇如何使用它们的陀螺仪来导航。
该场地帮助迪金森的团队制定了一套他们认为控制苍蝇机动的规则。当苍蝇朝一个物体移动时，物体在它眼中的大小会变大。如果它在一只眼睛中比在另一只眼睛中变大，苍蝇就会转弯避开它；如果它直接在前方膨胀，苍蝇就会伸出腿来着陆。为了检验这个理论，迪金森和他的学生们建造了一个名为Flyball（想想眼球）的机器。
Flyball由安装在轨道系统上的摄像机组成。它在一个装饰有随机黑白方块的场地中移动，将它看到的东西发送给计算机。计算机使用迪金森的规则来决定下一步去哪里。迪金森希望它能像苍蝇一样做出决定。“画一张图是好的，但要真正建造东西，你必须说到做到。”如果他错了，摄像机就会像一只真正的苍蝇一样飞行。如果错了，它可能会撞到墙上。
最终，迪金森希望将他所学到的关于苍蝇如何飞行的知识应用到一个更大的问题上：昆虫飞行是如何进化的。昆虫可能在3亿多年前就从身体的鳞片进化出了翅膀。翅膀是它们成功的秘诀——会飞的昆虫占地球上已知所有动物物种的绝大多数。自飞行起源以来，昆虫已经调整了它们的解剖结构，以适应各种飞行风格，从蜻蜓宽阔的滑翔翅膀到黄蜂凶猛的战斗机式攻击。“你必须先了解机制，才能了解行为是如何进化的，”迪金森说。
然而，迪金森很难想象他回答了所有问题的日子。“我们研究苍蝇飞行的越多，我们就越意识到我们多么了解得少，”他说。
一个例子：在巡视完他的学生们的工作情况后，迪金森回到办公室，在那里，一位博士后研究员马克·弗莱（Mark Frye）需要他的帮助。弗莱正在编写一个计算机程序来模拟一只空中飞行的果蝇——本质上是Flyball的一个预演。模拟的苍蝇利用团队制定的决策规则，在模拟场地中移动。但它不起作用。
“如果我只允许它们朝一个方向转弯，它就能很好地工作，”弗莱说。但如果他允许模拟的苍蝇选择转向哪边，结果就会乱套。
迪金森提出了一些建议——也许应该让昆虫不仅对正前方的物体做出反应，还要对它几分钟前看到的东西做出反应。他们试图弄清楚弗莱如何将这一点转化为程序，一段时间后，他们陷入了沉默，两人都有些沮丧。然后，弗莱说出了三个词，这三个词可以说是迪金森团队的口号，并且经常写在实验室的黑板上。
“小（脏话）机器人。”
迪金森微笑着重复道：“小（脏话）机器人。”这些看起来简单的生物，从神经学的角度来看，不过是一些电路，却仍然在每一次的尝试中让他感到困惑。但事实上，迪金森的口号是一种亲切的称呼。“苍蝇是奇妙的生物，”他说。“地球上的每个人可能每天至少能看到一只苍蝇，但我们甚至都没有注意到它们。就在我们眼皮底下，有这些非凡的小机器。”
卡尔·齐默尔（Carl Zimmer）的书包括《进化：思想的胜利》（Evolution: The Triumph of an Idea）。他目前正在写一本关于17世纪神经学起源的书。
