超高速真空吸-象之呼吸！速度胜过人类打喷嚏30倍

大象的鼻子不只看起来很灵活，也是最万用的取物工具。一头大象每天要吃超过两百公斤的小型蔬果，不过不像其他动物要以口就食，它们可以用鼻子拿取地上的小块食物优雅地进食。除此之外，象鼻也能快速吸起大量水分，拿来饮用或帮自己洗澡，可以说是比人类的双手还好用。象鼻的灵巧与威力背后，其实藏着不为人知的复杂机制。科学家最近在实验中发现，象鼻的吸气速度快得惊人，是人类打喷嚏飞沫速度的30倍！

大象长长的鼻子重达一百多公斤，却可以轻而易举完成许多轻巧的动作

佐治亚理工学院和亚特兰大动物园合作，针对大象如何使用它长长的鼻子进行一连串的观察实验。研究人员将不同大小的切块蔬菜放在大象面前，供其取用。此时大象会先用象鼻前端去感受食物的大小及数量来选择不同的应对策略：当食物只有一块，或是体积较大（边长大于五公分），大象会直接用鼻子的尖端去抓取；当食物细碎且数量众多，它则会一口气将所有颗粒吸起。如果研究人员端出颗粒极细的麦麸粉时，大象便不再选择吸气，因为吸入这么细小的粉末可能造成鼻塞。相反的，它会先用鼻子将粉末揉成了一颗球，再直接整颗抓起来。

不只如此，平放在地上的一小片土豆片对大象来说也完全不是问题。大象光是象鼻本身就重达一百多公斤，如此粗壮而巨大的构造却能够轻巧地吸起地上的一片土豆片，完整地放入口中，这得归功于象鼻强大的吸力，让象鼻只要轻轻接触到土豆片就能将其吸起。

如果你自己尝试一下，就会发现用鼻孔吸起土豆片绝非易事，就连吸起一小片卫生纸都有困难。直觉联想会认为我们肺部不够力，不过大象肺部在吸入时施加的负压跟人类差不多在同个量级。

图为实验中，象鼻如何吸起各种不同大小的食物。图表中，红色图标代表象鼻使用吸气的动作，黑色则表示不用吸气而是用鼻子尖端拾取，y轴和x轴分别表示食物的数量与大小。如（d）和（e）所示，大象先用吸气的方式吸起薯片，再将之捡起。

真正的差距其实是在鼻孔半径！利用白努利原理，研究人员建立了一个简单的理论模型。他们表示在同样的肺部压力时，动物吸气时对外部物体造成的压力正比于鼻孔半径的四次方。也就是说，虽然大象鼻孔只有我们的两倍左右，土豆片感受到的吸力却会是十六倍。

简单来说，这是因为流速正比于鼻孔面积（也就是鼻孔半径平方），而白努利定律告诉我们压力跟流速平方有关系。平方再平方，就是四次方的快速成长。利用这个模型，研究人员估计空气被吸入大象鼻孔的瞬间流速竟然来到150米/秒，也就是480公里/小时！这个速度比我们的高铁最高时速还要快点。相较之下，人类打喷嚏时喷出的飞沫速度大概只有5米/秒，差不多是骑车子的速度，两者相差30倍。

除了取食之外，这次研究还设计了另一组实验，来测试大象吸水时的行为表现。他们将大象带到透明水缸前，观察象鼻吸水时的行为。为了观察水流的速度分布，研究团队还特地在水缸中加入了健康的奇亚籽。结果，大象在短短一秒内就吸进了3.7公升的水，这个流速可是堪比二十个冲水马桶。不只如此，大象一次吸饱便能将鼻子内装满五公升多的水。

图为大象吸水的实验图。（c）表中表示的是象鼻吸入的水量与时间的关系。（d）图为象鼻结构示意图，红色箭头表示气流的方向。

这么强大的流速和容量乍看之下其实相当不合理，因为象鼻虽然长，但是两个鼻孔的半径并不大，似乎没办法吸起多少水。为了解开这个谜团，研究团队在象鼻旁架起了超声波机器，观察象鼻肌肉的变化。超声波图像显示，象鼻肌肉在吸水时会快速收缩，造成象鼻孔内的容量增加大约60%。

有趣的是，象鼻孔在吸气时并不会明显的扩张。而当研究人员进一步在水中加入“勾芡”用的麦麸，他们发现象鼻孔扩张的幅度比起清水多了10%。这似乎显示大象会根据吸取的物质浓稠程度，调整鼻孔扩张的“用力”程度。利用对鼻子肌肉如此精准的控制能力，让大象能轻松地用长鼻子进行细微的动作。

设计精巧的象鼻，几乎可以说是一支附带嗅觉与吸取功能的机械手臂，如此万用的结构，对善于模仿的人类来说是最好的学习对象。在精密产品的制作过程中，常常可以看到真空夹持器吸起并移动零件，这种机械工具可以使作业进行的过程中不留下任何接触或黏贴的痕迹。经过特殊设计的救援机器人也有类似的设计，利用长长的软管结构进入废墟或其他危险场所，达成人类和传统机器人无法完成的救援任务。

研究团队中的Andrew Schulz博士说：“象鼻肌肉的行为结合了抓取与吸取。这方面的研究让我们能将类似的物理机制运用在机器人的设计与制造。此外，非洲象现在已被列为濒危物种，对于这个神奇物种的深入了解也对保育很有帮助。”