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无(wú)人机设计受动物启发(fā)

 

无人(rén)机的(de)飞行:科学家们如何创(chuàng)造更好的飞(fēi)行器?他们从自然界中(zhōng)寻(xún)找灵感,研究发现有翼动物即便是在困难的条件下,也能有效地穿(chuān)过(guò)空气的适应性变化(huà)。现如(rú)今的(de)无人机比以往(wǎng)任何时候(hòu)的都更为复杂,在(zài)科学家们探索出更多的昆(kūn)虫、 蝙蝠以及鸟类飞行成功的秘密后(hòu),将会继续提高它们的(de)性能。

潜入水中:很多飞行(háng)器正展(zhǎn)翅高飞,而(ér)一种新型的无人机(jī)就像水鸟一样,可以从半空中一跃(yuè)入水。有翼无人机 (AquaMAV) 拥(yōng)有能变(biàn)形的翅膀,当(dāng)它潜水时(shí),便会将翅膀(bǎng)折(shé)叠起(qǐ)来。这种水生微型飞行器重量仅有200 克,它可以飞(fēi)向目的地(dì),或是(shì)进入水下的目的地(dì),在水(shuǐ)下进行短暂的数据(jù)收集后(hòu),使用喷气推进的方(fāng)式将自己推(tuī)送到空中,然(rán)后回到基(jī)地。

小憩(qì):在迁移期(qī)间,有些鸟能连续飞几天甚至几个月(yuè)不休(xiū)息,它们如何在长途飞行中补眠(mián)的问题长期困扰着(zhe)科学(xué)家们。以前,人(rén)们(men)认为(wéi)长途飞行的军舰鸟(niǎo)在飞(fēi)行的过(guò)程中,一次只休息一个脑半球——从(cóng)字面上理解,就是睡觉时睁一只眼闭一只眼。但一项新研究对处于长期(qī)洄游行程中的鸟儿,进行了第一(yī)次脑部(bù)扫(sǎo)描,科学家们发现,在某些(xiē)时刻(kè),它(tā)们完(wán)全睡(shuì)着了,但时(shí)间非常短暂,并(bìng)且(qiě)是在高空下进行着机械性滑翔(xiáng)。

无声的飞行:科学家们仔细(xì)地观察猫头鹰(yīng)的翅膀,从而了解这些鸟类掠食者如何在飞(fēi)行中不发(fā)出任何声(shēng)音。生(shēng)物学家(jiā)、 数学家以及工程师们研究猫头鹰的(de)气动性能(néng);他们(men)发(fā)现,羽毛(máo)之间(jiān)功(gōng)能性的结合,铸就了无声的飞(fēi)行。他们发现,猫头鹰翅膀的大尺寸(cùn)面积允许他们以较慢的速度飞行,以此来减少(shǎo)它们制造的噪音,而(ér)羽毛之间的连锁结构以(yǐ)及天鹅绒(róng)般的表面纹(wén)理,也能抑制噪音,就(jiù)如同(tóng)机翼边缘(yuán)滑(huá)过空中所留(liú)下的痕迹。

危害控制:即(jí)使是最稳固的无(wú)人机也可能会损坏,因此科学家们正(zhèng)在研究飞(fēi)行器如何修复;他们正在(zài)研究动物如何(hé)修(xiū)复受(shòu)伤的翅膀,且在此之(zhī)后依然能(néng)飞行(háng)——甚至是翼(yì)膜受到了严重的损(sǔn)伤(shāng)。研(yán)究(jiū)人员用高(gāo)速摄像机记录对失去一(yī)边翅(chì)膀的果蝇进(jìn)行的测试,测试结果表明,果蝇通(tōng)过改变翅膀(bǎng)上下拍(pāi)打的(de)幅度,并让(ràng)身体倾向受伤(shāng)的翅膀一侧(cè),从而适应在半空中的飞行。

稳定:突如其来的(de)一阵(zhèn)强风会扰乱动物和飞行(háng)器的飞行,但科学家发现,即使是在狂(kuáng)风的情况下,蜜蜂仍能(néng)坚持(chí)飞行觅食。为了(le)了解蜜蜂如何穿过(guò)狂(kuáng)风,研究人员将昆虫置于(yú)风(fēng)洞中(zhōng),并记录下他们的(de)飞(fēi)行动作。他们发现,蜜蜂用不同的反应来调整(zhěng)自(zì)己(jǐ),从而(ér)让自己停留在半空中,其中(zhōng)包括改变翅膀挥动的频率及振幅,以(yǐ)及多样化他们飞行(háng)时的拍翅(chì)对(duì)称性。通过模仿这些技术,飞行器可以提(tí)高他们穿(chuān)过空(kōng)气湍流的能力。

一个(gè)方(fāng)向:贴近地面飞行的鸟,将会面临多变的飞行环境(jìng),它们(men)需要迅速地处理视觉的输入,快速地调整飞行方向,从(cóng)而避开任何阻拦它们的障碍(ài)物。为了(le)找出鸟儿(ér)如何机动地(dì)调整(zhěng)和目标之间(jiān)的间隔,同时维持前进(jìn)的(de)动(dòng)力,研究人员对(duì)鸽子进行了追(zhuī)踪,观察(chá)它们飞过放(fàng)置的不(bú)同(tóng)障碍物时的状态,并在三个维度中记录它们的(de)动作。他们发现鸽子(zǐ)选定的方向与它们飞翔时的方向密切相关,这样他(tā)们就可以更快地飞行,且更少地调整翅膀挥动的节(jiē)拍。

正(zhèng)面朝上:有些时候,研究人员会通过研究不会飞行的昆虫,来了解飞行。竹节虫幼虫无翅,但是当他们(men)跌倒时,即(jí)使没有(yǒu)翅膀的帮助,它(tā)们也可以(yǐ)使自(zì)己悬浮在(zài)半空中。科学家观察发现,当昆虫(chóng)掉落时,他(tā)们(men)能通过(guò)腿(tuǐ)部运动与气(qì)流相协调,从(cóng)而迅速地转动自(zì)己,使自己正面朝上,在0.3秒以内完全扭转过(guò)来。研究人员在他们的(de)研究(jiū)中解释道,这项技术可能是在昆(kūn)虫飞行进化的早期(qī)阶段使用到(dào)的,它可以提高(gāo)无(wú)人机在(zài)空中的敏捷(jié)性。

小心缝隙(xì):季节性(xìng)换羽(yǔ)是鸟类更新羽毛的方式,尚未完(wán)成换(huàn)羽的鸟类仍然需要(yào)继续飞行,而在一些情况(kuàng)下,无视翅膀的状况可能会受到安全的威胁。研究者们选取(qǔ)了乌鸦(yā)家庭中的一(yī)只(zhī)寒鸦,以(yǐ)飞行的空(kōng)气动力学的角度(dù),观(guān)察它在换羽的不同阶段的(de)状态。研究者(zhě)发(fā)现,在(zài)换羽期间,鸟类的飞行效率会降低,但鸟(niǎo)类会通过调(diào)整翅(chì)膀(bǎng)的姿势来弥补羽毛缺失的(de)情(qíng)况,这也(yě)是一种(zhǒng)可以运(yùn)用于机翼损坏的无人(rén)机飞行的策略。

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