難以打破的人力水翼船速度
1991年10月寒冷的一天，由物理學家馬克·德雷拉（Mark Drela）率領的麻省理工學院（MIT）的一個團隊創下了人力艦船的最高時速紀錄。他們的水翼船"Decavitator"號在流經波士頓的查爾斯河（Charles River）上的一段長100米（330英尺）的河道上達到了18.5節（時速21.3英里/34公里）的速度。
Decavitator看起來和穿梭在希臘島嶼之間的水翼船很不一樣。它更像是雙體船，有兩個薄的船體，後面綁了一個巨大的飛機螺旋槳。一名自行車騎手——德雷拉本人——在兩條船體之間用力踩踏板。 1993年春天，Decavitator團隊獲得了杜邦人力艦船最高速度獎。在創下紀錄的那次航行之後，這艘船在波士頓科學博物館（Boston's Museum of Science）的入場大廳展出。 經過二十五年，儘管有很多次嘗試，但是這一紀錄仍然無人能破。 不過，由動物學家阿德里安·托馬斯（Adrian Thomas）共同創立的牛津大學創業孵化器產物「Animal Dynamics」公司正投入20萬英鎊（26萬美元），希望打破該紀錄。他們的Malolo號像Decavitator一樣是水翼船。不同之處是Malolo的設計靈感來自於鯨魚游泳的方式——不是用螺旋槳，而是設計了一條拱形大尾巴，就像鯨魚潛入水下時，有時會露在水上的尾巴。 在項目開始兩年後，該團隊已經開始在英格蘭南海岸測試第三艘原型船。據托馬斯的說法，他們已經達到了約12節（時速13.8英里/22公里）的速度。 Malolo號設計利用了類似鯨魚尾巴的原理（圖片來源：David Hills） 他們預期在明年打磨至少三艘新的原型船之後再衝擊紀錄，每艘原型都會比之前的更小、更輕。 問題是，他們能否打破Decavitator以後無人能超過的紀錄？ 人力交通工具只能以人的肌肉力量為動力。對於我們大多數人來說，那就是自行車。然而，自行車也可用於空中飛行，在海下潛水，甚至在鐵軌上騎行。 自行車是許多人的日常交通方式，但人力交通工具的原理也可以開發成供遊客使用的全新交通方式，或者像測試新技術那樣用來做更重要的事情——打破記錄，贏下大獎或者建立聲譽。 在衝擊水中航行紀錄之前，德雷拉曾參與過人力飛機的設計，並創下紀錄，這使得很少有團隊擁有他如此豐富的經驗。他在人力飛機方面最大的成就是1988年的以希臘神話人物代達洛斯（Daedalus）命名的人力飛行器，完成從克里特島到聖托裏尼島的飛行。這次飛行在速度和持久力方面創下了人力飛機的紀錄。 在回到美國的時候，德雷拉的團隊注意到贏得杜邦大獎的紀錄是1988年創下的。只要在百米航線上達到20節的船速，或者在1992年12月31日之前達到最快速度，即可贏得該獎。 德雷拉發現，他們團隊獲獎唯一的辦法就是設計人力水翼。 水翼船部分是船，部分是飛機。它們通常用於聯繫偏遠的島嶼或實現快速通勤。隨著船開始加速，船體下面的像滑雪板一樣的機翼會把船托出水面，就像機翼幫助飛機升空一樣。 第一個水翼是在19世紀末發明的。然後，直至1955年，德國工程師朱利葉斯·沙克（Julius Schuck）才向公眾展示第一台人力水翼船。他稱之為Wasserlaufer（滑水機）。 從那時起，人們建造了許多不同種類的單座乃至雙座水翼船，有的叫AquaSkipper，有的稱為Foiled Again，還有叫Mutiny on the Boundary Layer。這些船有的使用水下螺旋槳，有的使用水上螺旋槳，有的會拍打翅膀乃至槳，使它們快到足以起飛。飛魚號（Flying Fish）的初版甚至是從彈射器上發射的。日本舉行了很多壯觀的比賽。 這個速度記錄可能看起來不是那麼快，但是在水上高速移動需要付出巨大的努力（圖片來源：David Hills） 對德雷拉等工程師的吸引力是人力水翼船是水上速度最快的人力交通工具。牛津和劍橋的賽艇比賽所使用的狹長的八人船仍然無法擊敗許多年前Decavitator的記錄。 "我以為我的紀錄最終會被打破，"德雷拉說， "我們帶著大量其他人力交通工具項目的經驗來做這個項目，但這仍然是一個巨大的難題。 "這比建造飛機要困難得多。如果你坐在飛機上遇到顛簸，這不是一個問題，甚至是落差一英尺都沒事。但是對水翼船而言，漂移幾英寸也可能會釀成一場災難。" "有許多團隊進行了嘗試，但是未能打破紀錄，因為有能力做到這一點的人很少，他們沒有足夠的時間完成，而且成本也很高，"Animal Dynamics的聯合創始人阿德里安·托馬斯說， "你需要有充足的資金，親自去試錯。" 他補充道："現在這個階段對愛好者來說太燒錢了，需要許多不同的技能才能做到。這可能是麥克·德雷拉能夠成功的原因。他有非常不錯的技能組合，並得到麻省理工學院的支持。" 然而，在這個小圈子裏，一些人認為，Decavitator的勝利歸根到底是尾部氣流的功勞。 "杜邦獎規則允許利用較小的、約每小時3英里（4.8公里）的尾部氣流。"對手Flying Fish 20（飛魚20號）的聯合設計師艾倫·阿伯特（Allan Abbott）說。1987年，自行車奧運金牌得主史蒂夫·黑格（Steve Hegg）在長灘海洋體育場2000米的奧林匹克賽道上，通過飛魚2號創造了世界紀錄5分48.54秒（11.15節）。雖然這個紀錄並不十分耀眼，但至今仍屹立不倒。 "Decavitator在設計上利用了這一規則並採用空氣螺旋槳。與水中螺旋槳的助推力相比，尾風帶來的推進力要大得多。 Malolo預計將在2018年嘗試打破紀錄（圖片來源：David Hills） 隨後，1992年12月在加利福尼亞州的布丁斯通水庫（Puddingstone Reservoir）進行了一場勢均力敵的比賽，在風速幾乎可以忽略不計的情況下，Decavitator的速度比飛魚稍慢。 "高速衝刺紀錄需要專為高速度設計的水翼，"他說，"這是不切實際的，因為如果達不到衝刺的速度，它根本就不可能起飛。" "對目前想要打破紀錄的人，我有什麼建議嗎？那就是找到項目的贊助商。在一場極速比賽中不太可能找到任何值得推向市場的東西。 然而，Animal Dynamics的聯合創始人兼首席執行官托馬斯和亞歷克斯·卡齊亞（Alex Caccia）都有信心將以20節以上的速度打破紀錄——而且他們將獲得一些能夠推向市場的東西。 Animal Dynamics是一家具有差異優勢的高科技公司。其技術靈感來源於大自然。它正在開發一種口袋大小的無人機，被英國國防部稱為Skeeter，其靈感來自蜻蜓，並使用撲翼來飛行。該公司剛剛拿下了一項合同，要開發一個自帶動力降落傘的原型，未來可以幫助給前線士兵提供補給。 根據托馬斯和卡齊亞的說法，這個項目的經驗教訓幫助解決了Malolo的工程中遇到的挑戰。 "現在我們有機會打破紀錄是因為鯨魚尾翼的推動方式比螺旋槳增加了20-30％的效率，"阿德里安•托馬斯說。"只是做起來很難。" "很多人都研究過，嘗試過，但都沒有實際開發出來。我認為這是因為開發一個高效的驅動機制很困難。" 該設計的挑戰是將自行車手的圓周運動轉換成翅片的上下擺動，同時不損失太多的效率。 大型輪船所佔的世界溫室氣體排放量的比重相當大（圖片來源：Alamy） "有一些辦法來做尾翼，我們現在有不少專利了，"托馬斯補充道， "但這是一個大問題。" "對於許多團隊來說，讓螺旋槳和自行車手配合比較容易，"卡齊亞說。 托馬斯和卡齊亞的目光遠遠超過了創下新紀錄：這項技術將清理全球污染最嚴重的行業之一——船運業——以幫助清潔空氣，降低全球氣溫。 研究表明，一艘世界上最大的集裝箱船排放出的污染物相當於大約5000萬輛汽車。此外，世界上16艘最大輪船排放的氮氧化物和硫氧化物相當於世界7.6億輛汽車的排放總量。 托馬斯說："我們真正感興趣的是使用鯨魚尾巴作為船舶推進的一種形式。我們不必建造像鯨魚一樣的船；我們只需要用上下擺動的尾翼替代螺旋槳。 "其流體力學和機械原理與Malolo是一樣的。好的一點是，已經有液壓機制可以像鯨魚的尾巴一樣工作。 在牛津北部的實驗室附近的一個水箱裏，他們將很快開始測試一個由上下擺動的尾翼而非螺旋槳推進的舷外馬達。 "鯨尾推進器可以為航運業節約20%到30％的燃油消耗。行業正在向自動駕駛船舶轉型，現在正是推出更有效的推進系統的時候。 亞歷克斯·卡齊亞說："最後，我們想要打破記錄，因為它將讓這種新穎的技術獲得公眾認可。" 這才是值得贏取的大獎。 請訪問 BBC Future 閲讀 英文原文。