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无人机设计受动物启发

 

无人机(jī)的飞行:科学家们如何创造(zào)更好的(de)飞行器?他们从自然界(jiè)中寻找灵感,研究(jiū)发现(xiàn)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(shì)应(yīng)性变化。现如今的无(wú)人机比以往任何时候(hòu)的都更为(wéi)复杂(zá),在科学家(jiā)们探索(suǒ)出更多的昆虫、 蝙蝠以及鸟类(lèi)飞行(háng)成功的秘密后,将会(huì)继(jì)续提高它(tā)们(men)的性能(néng)。

潜入水中:很多飞行器正(zhèng)展翅(chì)高飞,而一种(zhǒng)新(xīn)型的无人机就像(xiàng)水鸟(niǎo)一样,可以(yǐ)从半(bàn)空中一跃入水(shuǐ)。有翼无人机 (AquaMAV) 拥(yōng)有能变(biàn)形的(de)翅膀,当它(tā)潜水时(shí),便会将翅膀(bǎng)折(shé)叠起(qǐ)来。这种水生微型(xíng)飞行器重量仅有200 克,它可以飞向目的地,或是(shì)进入水下(xià)的目的地,在水下进(jìn)行短暂的数据收集后(hòu),使用(yòng)喷气(qì)推进的(de)方(fāng)式将自己推送(sòng)到空(kōng)中,然后回到基地。

小憩:在迁移期间,有些鸟能连(lián)续飞几天(tiān)甚(shèn)至几个月不(bú)休息,它们如何在长途飞行中(zhōng)补眠的(de)问(wèn)题长期困扰着科学(xué)家们(men)。以前,人们(men)认为(wéi)长途飞行的(de)军舰(jiàn)鸟在飞行的(de)过程中,一次只(zhī)休息(xī)一个脑半球——从字面上理解,就是睡(shuì)觉时睁一只眼(yǎn)闭一只眼。但一(yī)项新研究对处于(yú)长期洄(huí)游(yóu)行(háng)程(chéng)中的鸟儿,进行了第一次脑部扫描,科学家们发(fā)现,在某(mǒu)些时刻,它们完全(quán)睡着(zhe)了,但时间(jiān)非(fēi)常短暂,并且(qiě)是在高空下进(jìn)行着机械(xiè)性滑翔。

无声的(de)飞行(háng):科(kē)学家们(men)仔细地观察(chá)猫头鹰的翅膀,从而了解这(zhè)些(xiē)鸟类掠食者如(rú)何在飞行中不发(fā)出任何(hé)声(shēng)音(yīn)。生物学家、 数(shù)学家以(yǐ)及工程师们研究猫头鹰的气动(dòng)性能;他们(men)发现,羽(yǔ)毛之间功能性的(de)结合(hé),铸就了(le)无声的飞(fēi)行(háng)。他(tā)们发现,猫头鹰翅(chì)膀的(de)大(dà)尺(chǐ)寸(cùn)面积(jī)允许他们以较慢的(de)速度飞行(háng),以此来减少(shǎo)它们制(zhì)造(zào)的噪音,而羽毛之间的连锁(suǒ)结(jié)构以及天鹅绒般的表面(miàn)纹理,也(yě)能抑制噪(zào)音(yīn),就如(rú)同机翼边缘滑过(guò)空中所留下的痕(hén)迹。

危(wēi)害(hài)控制:即使(shǐ)是最稳固(gù)的无(wú)人(rén)机也可能(néng)会(huì)损坏,因此科(kē)学家们正在研究(jiū)飞行器如何修复;他们正在研究动(dòng)物如何修复受伤的翅膀,且(qiě)在此之后(hòu)依然能飞行——甚至是(shì)翼膜受到了严重的损伤。研究(jiū)人员用高速摄像机记录对失去一边翅膀(bǎng)的果蝇进行的测试,测试结果表明,果蝇通(tōng)过(guò)改变翅(chì)膀上下拍打的(de)幅度,并让身体倾向受(shòu)伤的翅膀一侧(cè),从而适应(yīng)在半空中(zhōng)的飞行。

稳定:突如(rú)其来(lái)的一阵强风会扰乱动物和飞行(háng)器的(de)飞行,但科学家发(fā)现,即使是在狂风的(de)情况下,蜜蜂仍能(néng)坚(jiān)持(chí)飞(fēi)行觅食。为了了解蜜蜂如何穿过狂(kuáng)风(fēng),研(yán)究(jiū)人员将昆虫置于风洞中,并记(jì)录下他们的(de)飞行动作。他们发现,蜜蜂用不同的反应来(lái)调整自己,从而(ér)让(ràng)自己停留在半空中,其(qí)中包括(kuò)改变翅膀挥动的频率及振幅(fú),以及多样化他们飞行时的拍翅对(duì)称(chēng)性。通过(guò)模仿这些(xiē)技(jì)术,飞(fēi)行器可以(yǐ)提高他们穿过空气湍流的(de)能力。

一个方(fāng)向:贴近地面(miàn)飞行的鸟(niǎo),将会面(miàn)临多变(biàn)的(de)飞行环境(jìng),它们(men)需要迅速地处(chù)理视觉的输入,快速地调整(zhěng)飞行方向,从而避开任何阻拦它们的障碍物。为了找(zhǎo)出鸟儿如何机动地调整和目标之间的(de)间隔(gé),同时维持(chí)前进的动力,研究人员对鸽子进行了追踪(zōng),观察(chá)它们飞过放置的不同障碍物时的状态,并在三个维度中(zhōng)记录它们的(de)动(dòng)作。他们发现鸽子选定的(de)方(fāng)向与(yǔ)它们飞翔时的方向(xiàng)密(mì)切相关,这样他(tā)们(men)就可(kě)以更快地飞行,且更少(shǎo)地调整翅膀挥动的(de)节拍(pāi)。

正面朝上:有些(xiē)时候,研究人员(yuán)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(dàn)是当他(tā)们跌倒时(shí),即(jí)使没有翅膀的帮助(zhù),它们也可以使自己悬浮在半空(kōng)中(zhōng)。科学家观察发(fā)现,当昆虫(chóng)掉落时,他们能通过腿部运(yùn)动与气流相协(xié)调(diào),从而迅速地转动自己,使自己正面(miàn)朝(cháo)上(shàng),在0.3秒以内完全扭转过(guò)来。研究人员在他(tā)们的研究中解释道,这项(xiàng)技术可能(néng)是在昆虫飞(fēi)行进化(huà)的早期阶段使用到的,它可以(yǐ)提高无人机(jī)在(zài)空(kōng)中的敏(mǐn)捷性。

小心(xīn)缝隙:季节性(xìng)换羽是鸟类(lèi)更新羽毛的方式,尚未完成换羽的鸟类仍然(rán)需要继续飞行,而在(zài)一些情况下(xià),无视翅膀的状(zhuàng)况(kuàng)可能会受到安全的威(wēi)胁。研究者们选取了(le)乌(wū)鸦家(jiā)庭(tíng)中的一(yī)只寒鸦,以飞行的空气动力学的(de)角度,观察它在换(huàn)羽的不同阶段的状态。研究者(zhě)发现,在换羽期间,鸟类的飞(fēi)行效率会(huì)降(jiàng)低,但鸟类会通过(guò)调整翅膀(bǎng)的姿势(shì)来弥(mí)补羽毛缺失的情况,这(zhè)也是一种可以运用于机翼损坏的无(wú)人机飞行的(de)策略。

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