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无人机设(shè)计受动物启发

 

无人(rén)机的飞行:科学家们如何(hé)创造更(gèng)好的飞行器?他们从自然界中(zhōng)寻(xún)找灵感(gǎn),研究发(fā)现有翼动物即(jí)便是在困(kùn)难的条(tiáo)件下,也能有效地穿过空(kōng)气的适应性(xìng)变化(huà)。现如今的无(wú)人(rén)机(jī)比以往(wǎng)任何时候的都更为复(fù)杂,在科学家们探索出(chū)更(gèng)多的昆虫、 蝙蝠以(yǐ)及鸟类飞行成功的秘(mì)密(mì)后(hòu),将会(huì)继续提高它们的性能(néng)。

潜(qián)入水中:很多飞行器正展(zhǎn)翅(chì)高飞,而一(yī)种(zhǒng)新(xīn)型的(de)无人机就像(xiàng)水鸟一样,可以从半空中一跃入(rù)水(shuǐ)。有翼无人机 (AquaMAV) 拥有(yǒu)能变(biàn)形(xíng)的翅膀,当它潜水时,便会将翅膀折叠起(qǐ)来。这种水生(shēng)微型飞行器(qì)重量仅有200 克,它可(kě)以飞(fēi)向目的地,或是(shì)进入水下的目的地,在水下进行短(duǎn)暂的数据收集后,使(shǐ)用喷(pēn)气推进的方式将自己(jǐ)推(tuī)送到空中,然后回(huí)到基(jī)地。

小憩:在迁(qiān)移期间,有(yǒu)些鸟能连续飞(fēi)几天甚至几个月不休息,它(tā)们如何在(zài)长途飞行中补眠的问题长(zhǎng)期困扰着科学家们。以前,人们认(rèn)为长途飞行的军舰鸟在飞行的过程中,一(yī)次(cì)只休息一个脑(nǎo)半球——从字面上理解,就是睡(shuì)觉时睁一只眼闭一只(zhī)眼。但一项新(xīn)研究对处于长期洄游行程中的(de)鸟儿(ér),进行了第一次脑(nǎo)部扫描,科学家(jiā)们(men)发现,在某(mǒu)些(xiē)时刻,它们完全睡着了,但时间非常短(duǎn)暂(zàn),并且是在高空下进行着机械性(xìng)滑翔。

无声的飞行(háng):科(kē)学家们仔细地观察猫头鹰的翅膀,从而了解这些鸟类掠食者如何在飞行(háng)中不(bú)发(fā)出任何声音。生物学家、 数学家以(yǐ)及(jí)工程师们研究猫(māo)头鹰的气动(dòng)性能;他们发现(xiàn),羽毛(máo)之间功能性的结合,铸就了无声的飞行(háng)。他们发现(xiàn),猫头鹰翅膀的大尺寸面积允许他们以较慢的速度飞行(háng),以(yǐ)此来减少它们制造(zào)的噪(zào)音,而羽毛(máo)之间(jiān)的连锁结构以及天鹅绒般的表面纹理,也能抑制噪音,就(jiù)如同机翼边缘滑过空中所留(liú)下(xià)的痕迹。

危害控(kòng)制:即使(shǐ)是(shì)最稳固(gù)的无人机也可能会损坏,因此科学(xué)家(jiā)们(men)正(zhèng)在研究(jiū)飞行器如何修复;他们正(zhèng)在研究(jiū)动物(wù)如何修复受伤的翅膀,且在此之后依然能飞行——甚(shèn)至是翼膜受到了(le)严重的损伤。研究(jiū)人员用高(gāo)速摄像机(jī)记录对失去一(yī)边翅膀的果蝇进行的测试,测试结果表明,果蝇通过改变翅膀上下拍打(dǎ)的幅(fú)度,并让(ràng)身体倾向(xiàng)受伤(shāng)的翅(chì)膀一侧,从而适应在半空中的飞行。

稳定:突如其来的一阵强风(fēng)会扰乱动物(wù)和飞行器的(de)飞行,但科学家发现(xiàn),即使是(shì)在狂风(fēng)的情况下(xià),蜜蜂仍能坚持(chí)飞行觅食。为(wéi)了了解蜜蜂如何穿过狂风,研究人(rén)员将昆虫置于风(fēng)洞中(zhōng),并记录下他们的飞(fēi)行动作。他们发现,蜜蜂(fēng)用不同的反(fǎn)应(yīng)来(lái)调(diào)整自己,从而让(ràng)自己停留在半空中,其中包括(kuò)改变翅膀挥动的频率(lǜ)及振(zhèn)幅,以及(jí)多样化他们飞行(háng)时的拍翅对称性。通过模(mó)仿这(zhè)些技术,飞行器可(kě)以(yǐ)提高他们穿过空气(qì)湍流的能力。

一个方向:贴近地面飞行的(de)鸟,将会面临(lín)多变的飞(fēi)行(háng)环境,它们(men)需要迅(xùn)速地处(chù)理(lǐ)视觉的输(shū)入,快速(sù)地调整飞行方向,从而(ér)避开(kāi)任何阻(zǔ)拦它们的障碍物。为了找出(chū)鸟儿如何(hé)机动(dòng)地调整和目标(biāo)之(zhī)间的(de)间隔,同时维持前进的动力,研究人员对鸽子进行了追踪,观察它们飞(fēi)过放(fàng)置(zhì)的不同障碍物时的状态,并在三个维度中记(jì)录(lù)它们的动(dòng)作。他们(men)发现鸽子选定的方向(xiàng)与(yǔ)它们飞翔时的方向(xiàng)密切相(xiàng)关(guān),这样他们就(jiù)可以更快地(dì)飞行,且更少地调整翅膀挥动的节拍(pāi)。

正面朝上:有些(xiē)时候,研究人员会通过(guò)研究不会飞行(háng)的昆虫,来了解飞行。竹节虫幼虫无翅,但是当他们(men)跌倒时,即使没有翅膀(bǎng)的帮助,它们也可(kě)以使自己悬浮在半空中。科学家观察发(fā)现,当(dāng)昆虫(chóng)掉落时,他们能通过(guò)腿部运(yùn)动与气流相协(xié)调,从而迅速地转动自己,使(shǐ)自己(jǐ)正(zhèng)面朝上,在0.3秒以内完全扭转过(guò)来。研(yán)究(jiū)人员在(zài)他(tā)们的研究中解释道,这项技术可能是在(zài)昆虫飞行进化的早期阶段(duàn)使用到的,它可以提高无人机在空中的敏捷性(xìng)。

小心缝隙:季节性换羽是鸟类更新羽毛的方式,尚(shàng)未完成换羽的鸟类仍然需要继续飞行,而在一些(xiē)情况下,无视翅膀的状(zhuàng)况可能会受到安全的威胁。研究者(zhě)们选取(qǔ)了乌鸦家庭中(zhōng)的(de)一只(zhī)寒鸦,以(yǐ)飞行的空(kōng)气动力学的角(jiǎo)度,观察它在换羽的不(bú)同阶段的状态。研究者发现,在(zài)换羽期间,鸟类的飞行效率会降低,但鸟类会通过调整翅膀(bǎng)的姿势来(lái)弥(mí)补羽毛缺(quē)失的情况,这(zhè)也是一种可以运用于(yú)机翼损坏的无(wú)人机飞行的策略。

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