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无人机设计受动物启发

 

无人机(jī)的(de)飞行:科学家们(men)如何创造更好的飞(fēi)行(háng)器?他们从自然界中寻找灵感,研究发现有翼动物即便是在(zài)困难的条件下(xià),也能有效地穿过空气的适应(yīng)性变化。现如今的无(wú)人机比以(yǐ)往任何时候的都(dōu)更为复杂(zá),在科学家们探索出更多的昆虫、 蝙蝠以及鸟类飞行成(chéng)功的秘(mì)密后(hòu),将会继续提(tí)高它们的性能(néng)。

潜入水中:很多飞行器正展翅高飞,而一种新型的无人机就(jiù)像水鸟一样,可以从半空(kōng)中一(yī)跃入水。有翼无人(rén)机(jī) (AquaMAV) 拥(yōng)有能变形(xíng)的(de)翅膀,当它潜水时,便会将翅膀折叠起来。这种水生微型飞(fēi)行器重(chóng)量仅(jǐn)有200 克,它(tā)可以(yǐ)飞向目的地,或是进(jìn)入水下(xià)的目的地,在水下(xià)进行短暂的数(shù)据收集(jí)后,使用(yòng)喷气推进的方(fāng)式将自己推送到(dào)空中,然后回(huí)到基(jī)地。

小憩:在迁移期间(jiān),有些(xiē)鸟能连(lián)续飞几天(tiān)甚至几个(gè)月(yuè)不休息,它们如何在长(zhǎng)途飞行中补眠的问题长期(qī)困扰着科学家们。以前,人们认为长途飞行的军舰(jiàn)鸟在飞行的过程中,一次只(zhī)休息一(yī)个脑半(bàn)球——从字(zì)面上(shàng)理(lǐ)解,就(jiù)是睡觉时睁一只眼闭一(yī)只(zhī)眼。但一项新研究对(duì)处于长期洄游行(háng)程中的鸟儿,进行了第一次(cì)脑部扫描(miáo),科学家(jiā)们发(fā)现,在(zài)某(mǒu)些时(shí)刻,它们(men)完全睡着了,但时(shí)间非(fēi)常(cháng)短暂,并(bìng)且是在高空下进行(háng)着机械性滑翔(xiáng)。

无声的飞行:科学(xué)家们仔(zǎi)细地观察猫头鹰的翅膀(bǎng),从而了解这些鸟(niǎo)类掠食者如何在飞(fēi)行中不发出(chū)任何声(shēng)音。生物学家、 数学家以(yǐ)及工程师们研究(jiū)猫头鹰的气动(dòng)性能;他(tā)们发(fā)现(xiàn),羽毛之间功能性的结(jié)合,铸就了无声的飞行。他们发现,猫头鹰翅膀(bǎng)的大尺(chǐ)寸面积允许他们以较慢的速(sù)度飞行,以(yǐ)此来减少它们制造的噪音(yīn),而羽(yǔ)毛之间(jiān)的连锁结构以及天鹅绒般的表(biǎo)面纹理,也能抑制噪音(yīn),就如同机翼边缘滑过空中所留下的痕迹。

危害控制(zhì):即使是最稳固的无人机也可能会损坏,因此科学家们正在(zài)研究飞行器如何修(xiū)复(fù);他(tā)们正在(zài)研究动物(wù)如何修(xiū)复受伤的(de)翅膀(bǎng),且在此之后依然能飞(fēi)行——甚至是翼膜(mó)受到了严重的损伤。研究人员用高速摄像机记录对(duì)失去一边翅膀的果蝇进行的测试,测试(shì)结果表明(míng),果蝇通过改变翅膀(bǎng)上下拍打的幅度,并让(ràng)身体倾向(xiàng)受伤的(de)翅膀一侧,从而适应在半空中的飞(fēi)行。

稳(wěn)定:突如其来(lái)的一阵强(qiáng)风会扰乱动物和飞行器的飞行,但科学家发现,即使是在狂风的情况下,蜜蜂仍能坚持飞行觅食。为(wéi)了了解蜜蜂如何(hé)穿过狂风,研(yán)究人员(yuán)将(jiāng)昆虫置于风洞中,并(bìng)记录下他们的飞(fēi)行动作(zuò)。他们发(fā)现(xiàn),蜜蜂用不同的反应来调整自(zì)己(jǐ),从(cóng)而让自己停留在(zài)半空中,其中包括改(gǎi)变翅膀挥(huī)动的频率及振幅,以(yǐ)及多样化他们飞行时的拍翅对称性。通(tōng)过模仿这些技术,飞行器可以提高他们穿过空气(qì)湍流(liú)的能力。

一个方(fāng)向:贴(tiē)近地面飞行的鸟(niǎo),将会面临(lín)多变的飞行环境(jìng),它们需要迅速地处理视觉的输(shū)入,快速地调整(zhěng)飞行方向,从而避开任何阻拦它们(men)的障碍(ài)物。为了找(zhǎo)出鸟儿如何机动地调(diào)整(zhěng)和目标之间(jiān)的间隔,同时维持前进的(de)动力,研究人员对鸽子进行了追(zhuī)踪,观察(chá)它们飞过放置的不同障(zhàng)碍物时的状(zhuàng)态,并(bìng)在三个维度中记录它们的(de)动作(zuò)。他们发现鸽子选定的方向与(yǔ)它们飞翔(xiáng)时的(de)方向密切相关,这(zhè)样他们就可以(yǐ)更快地(dì)飞行,且更少地调整翅膀(bǎng)挥动的节拍(pāi)。

正面朝(cháo)上:有些时候(hòu),研究人员会通过研(yán)究(jiū)不会飞行的(de)昆虫,来了解飞行。竹节虫幼虫无翅,但是(shì)当他们跌倒时,即使没有翅膀的(de)帮助(zhù),它们(men)也可以使自己悬浮在半空中。科学家观察发现(xiàn),当昆虫掉落时(shí),他们能(néng)通过腿部运动与气流相协调,从而迅速地转动自己,使自己正面朝上,在0.3秒(miǎo)以内完全扭转过来。研究人员在(zài)他们的研究中解释道,这项技术可能是(shì)在昆虫飞(fēi)行进化的早(zǎo)期(qī)阶段使用到(dào)的,它可(kě)以提高无人(rén)机在空中的(de)敏捷性。

小(xiǎo)心缝(féng)隙(xì):季节性换羽是鸟类更新羽毛的方式,尚(shàng)未完成(chéng)换羽(yǔ)的鸟类仍然需(xū)要继续飞行,而在一些情况下,无视翅膀的(de)状况(kuàng)可能会受到安全的威胁。研究(jiū)者们选取了乌鸦(yā)家庭中的(de)一只(zhī)寒鸦,以飞行(háng)的空气动力学的角度,观察它在换羽的(de)不(bú)同阶段的状态(tài)。研究者(zhě)发(fā)现,在换羽(yǔ)期间,鸟类的飞行效(xiào)率会降(jiàng)低,但鸟类会(huì)通(tōng)过调(diào)整翅膀(bǎng)的姿势来(lái)弥补羽(yǔ)毛缺(quē)失(shī)的情况,这也是(shì)一种可(kě)以运用于机翼损坏的(de)无人(rén)机(jī)飞行的(de)策略。

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