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无人机设计受动(dòng)物启发

 

无人机的飞行:科(kē)学家(jiā)们如何创造更好(hǎo)的(de)飞行器?他(tā)们从自(zì)然界中寻找(zhǎo)灵感(gǎn),研究发现有翼动物即便是(shì)在困难的条件下(xià),也能有效地穿过空气的适应性变(biàn)化。现如(rú)今的无人机(jī)比以往任何时(shí)候(hòu)的都更为(wéi)复杂,在(zài)科学家们探索出更多(duō)的昆虫、 蝙蝠以及鸟类飞行(háng)成功的秘密后,将会继续(xù)提(tí)高它们的性能(néng)。

潜入水中:很(hěn)多飞行器正展翅高飞,而一种新型的无人机就像水鸟一(yī)样,可以从半空(kōng)中(zhōng)一跃入水。有翼(yì)无人(rén)机 (AquaMAV) 拥有能变形(xíng)的翅膀,当它潜水时,便会将翅膀折叠起来。这种(zhǒng)水生微型飞行器重量仅(jǐn)有200 克,它可以飞向(xiàng)目的地(dì),或是进入水下(xià)的目的地,在水(shuǐ)下进行短暂的数据(jù)收集后,使用喷气(qì)推进的方(fāng)式(shì)将自己(jǐ)推送到空(kōng)中,然后回到基地。

小憩:在迁移期间(jiān),有些(xiē)鸟能连续飞几(jǐ)天甚至(zhì)几个月(yuè)不(bú)休息,它们如(rú)何在长途飞行中补眠的问题长期困扰着科学(xué)家们。以前,人们认为长途飞行的(de)军舰(jiàn)鸟在飞(fēi)行的过(guò)程(chéng)中,一次(cì)只休息一个脑半球——从字(zì)面上理解(jiě),就(jiù)是睡觉时睁(zhēng)一只眼闭一只眼。但一(yī)项(xiàng)新研究对处于长期洄游行程中的鸟儿(ér),进行了(le)第一次脑部扫描(miáo),科学家们发现,在某(mǒu)些时刻,它们完全睡着了,但(dàn)时间非(fēi)常短暂,并且是在高空下进行着机械(xiè)性(xìng)滑翔。

无(wú)声(shēng)的飞行:科(kē)学家们仔(zǎi)细地观察猫(māo)头(tóu)鹰的(de)翅膀(bǎng),从而了解这些鸟类掠食者(zhě)如何(hé)在飞行中不(bú)发出任(rèn)何声音。生物学家(jiā)、 数学家以及工程师们研(yán)究猫头鹰的(de)气动性能(néng);他们发现,羽毛之间功能性的结(jié)合,铸就了无(wú)声的(de)飞行。他们(men)发现,猫头鹰翅膀(bǎng)的(de)大尺寸面(miàn)积允许他们以较慢的速(sù)度飞行,以此来(lái)减少它们(men)制造的噪音,而羽毛之间的连(lián)锁结构以及天鹅绒般的表面纹理(lǐ),也能抑(yì)制噪音,就如同机翼边缘滑过空中所留下的痕迹。

危害控制:即使是最稳固的无(wú)人机也可(kě)能会损坏,因此科学家们正在研究飞行器如何修复;他们正在研究动物如何修复受伤的(de)翅膀(bǎng),且在此之后依然能飞行——甚至(zhì)是翼膜受到了严重的损伤。研究(jiū)人(rén)员用高速摄像机记(jì)录(lù)对失去一边(biān)翅膀的果(guǒ)蝇进行的测试,测试结果(guǒ)表(biǎo)明,果蝇通过改变翅膀上下拍打(dǎ)的幅(fú)度(dù),并让(ràng)身体倾向受伤的翅(chì)膀一侧,从而适应在半空中(zhōng)的飞行。

稳定:突如其来的一(yī)阵(zhèn)强(qiáng)风(fēng)会扰(rǎo)乱动(dòng)物和飞行器的飞行,但(dàn)科学家发现,即使是(shì)在狂风的情况下,蜜蜂仍能坚持飞行觅食。为了了解(jiě)蜜蜂如(rú)何(hé)穿过狂风,研究(jiū)人员将昆虫置于风(fēng)洞中,并记录下他们的飞行动作。他(tā)们发现,蜜蜂用不同(tóng)的反应来调(diào)整自己,从(cóng)而让自己停留在半空中,其(qí)中包(bāo)括改变翅(chì)膀挥动的频率及振幅,以及多(duō)样化他们飞行时的拍翅对称性。通过模仿(fǎng)这些技术,飞行(háng)器(qì)可(kě)以提高他(tā)们穿(chuān)过空气湍流的能力。

一(yī)个方向:贴(tiē)近地面(miàn)飞行(háng)的(de)鸟,将会面(miàn)临多变(biàn)的飞行(háng)环境(jìng),它(tā)们(men)需要迅速地处理视觉的(de)输入,快(kuài)速地调整飞行方向,从而避开任何阻拦它们的障碍(ài)物。为了找出(chū)鸟儿如何机动地调(diào)整和目标之间的间(jiān)隔(gé),同时(shí)维(wéi)持(chí)前进的动(dòng)力,研(yán)究人员对(duì)鸽子进行了追踪,观察(chá)它(tā)们飞(fēi)过(guò)放置的不同障碍物时的(de)状态,并在三(sān)个维(wéi)度中(zhōng)记录它们(men)的动作。他们发现(xiàn)鸽(gē)子选定的方向与它们飞翔时(shí)的方向密切相关,这样他们就可(kě)以更快地飞(fēi)行,且更少地调整(zhěng)翅膀挥动的节拍。

正面朝上:有些时候,研究人员会通(tōng)过研究不会飞(fēi)行的(de)昆虫,来了解(jiě)飞行。竹节虫(chóng)幼虫无翅,但(dàn)是当他们跌倒(dǎo)时,即使没有翅膀的帮助,它们也可以使自己悬浮在半空中。科学家观察(chá)发(fā)现,当昆虫掉落(luò)时,他们能通过腿部运动与气流相协调,从(cóng)而迅(xùn)速地(dì)转动自(zì)己,使自己正(zhèng)面朝上,在0.3秒以内完全扭转过来。研究人员在他(tā)们的研究中解释道,这项技(jì)术可能(néng)是在(zài)昆虫(chóng)飞行进化的早期(qī)阶段使用到的,它可以提高无(wú)人(rén)机在空中的(de)敏捷(jié)性。

小心缝隙:季节性换羽是鸟类更新羽毛(máo)的方式,尚未(wèi)完成换羽的鸟类(lèi)仍(réng)然需要继续飞行,而在一些情况下,无视翅膀的状(zhuàng)况(kuàng)可能会受到(dào)安全的威胁。研(yán)究者(zhě)们选取(qǔ)了乌鸦家庭(tíng)中的一只寒鸦,以飞(fēi)行的空(kōng)气动力学的角度,观察它在换羽的不同阶段的状(zhuàng)态。研究者发现,在换羽(yǔ)期间,鸟类的飞行效率会(huì)降(jiàng)低(dī),但(dàn)鸟类会通过调整翅(chì)膀的姿势来弥补羽毛缺失(shī)的情况,这也是(shì)一种可以运用于机翼损坏的无人机飞行(háng)的策略。

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