模拟蝙蝠飞行能力以建造更好的仿生蝙蝠

狐假虎威 的学名比它听起来更可爱。维基百科

海鸥无人机、仿生蜜蜂和人力飞机——所有这些飞行器都大量借鉴了自然界的设计。但制造模仿动物的机器人需要对动物的工作原理有基本的了解。人类可能永远无法制造出像蝙蝠那样复杂的物体,但我们可以制造一个模仿蝙蝠关键技巧的简化版本。Danesh Tafti 和弗吉尼亚理工大学的同事们正在努力让这项工作变得更容易。

蝙蝠的翅膀实际上是覆盖着一层有弹性的、敏感的膜的胳膊和手。通过实际地伸展手指,蝙蝠可以在空中进行细微的航向修正。但要弄清楚它们是如何做到这一点的,却很困难。你必须在蝙蝠身上贴满传感器,让它飞行,测量气动力的作用。然后,计算机模拟必须处理这些读数,以模拟飞行时的流体动力学。

Tafti 的团队最近完成了后者,利用了布朗大学团队完成的已记录测量数据。他们模拟了蝙蝠翅膀产生的流场,这是在实验中非常难以测量的——想象一下,看着一只蝙蝠在风洞里扇动翅膀,并试图理解其中的物理原理。

“这个东西到处都在动,所以要对流场的样子进行定量评估非常困难,”Tafti 说。“它可以单独操纵它的手指——伸展它们,放松它们,做各种鸟类真正做不到的事情。蝙蝠在操纵翅膀的自由度方面是独一无二的,所以这是一个非常复杂的运动。”

Bat Wing Sensors
Tafti 等人,Phys. Fluids 26, 021901;转载自 Riskin 等人,J. Theor. Biol. 254, 604 (2008)。

飞行需要两样东西:升力,这是使你保持在空中的力;以及推力,这是使你向前移动的力(通常是为了产生升力)。鸟类、蝙蝠和昆虫通过扇动翅膀和滑翔来做到这一点。人类通过非常快速地将固定的翼型推或拉过空气来做到这一点,本质上是创造一个将翼型向上的压力梯度。(翼型是飞机的机翼。)

升力和推力都是复杂的力,尤其是对于像蝙蝠翅膀这样非常复杂的翅膀。你必须测量它们是如何作用于整个翅膀的。Tafti 和他的团队查看了在蝙蝠直线飞行、以大约 21 度角飞行时从一种短鼻果蝠身上获得的测量数据。Tafti 说,它正在爬升,所以它正在产生更大的升力。

他们注意到,翅膀在空气中运动时会以多种方式变形。蝙蝠改变翅膀的表面积和扭转,对其手指进行微调。这张图展示了翅膀在飞行中变形的所有复杂方式。

Bat Wing Kinematics
Tafti 等人,Phys. Fluids 26, 021901 (2014)。

在这个特定的运动中,蝙蝠试图获得高度,所以这不是最高效的飞行配置。Tafti 说,蝙蝠的推进效率(与其他生物效率相对而言)只有大约 8%。但鉴于它的行为,这没关系。这就像一架喷气式客机使用最大功率起飞,并在达到巡航高度时平飞。“它消耗的大部分能量都用于增加升力,而不是推力,”Tafti 说。

所有这些都有助于解释蝙蝠手翅膀的复杂、扭曲的运动如何产生升力和推力。下一步是把这种特定蝙蝠的实验飞行分解成一个个微小的运动,看看哪些小的翅膀弯曲或特定的形状最能产生能量。

“蝙蝠极其敏捷;它们会在空中做各种疯狂的事情。它会改变轨迹,它会转弯,它会俯冲,”Tafti 说。“我们想做的是研究许多不同类型的翅膀运动,并尝试提取不同机动动作之间的一些共同点。”

最终目标是:一个简化的蝙蝠飞行模型,工程师可以用它来制造一个像真实的蝙蝠一样飞行的机器人蝙蝠。“你可以称它们为完整蝙蝠运动的基本要素,”Tafti 说。“我们正试图分离出精华。”

参考:一种果蝠直线爬升飞行的空气动力学。K. Viswanath、K. Nagendra、J. Cotter、M. Frauenthal 和 D. K. Tafti。Phys. Fluids 26, 021901 (2014)
DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.4864297/

 

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丽贝卡·博伊尔是一位屡获殊荣的自由撰稿人,她撰写关于天文学、人畜共患病以及介于两者之间的各种主题的文章。她是《大西洋月刊》的特约撰稿人,她的作品经常出现在《大众科学》、《新科学家》、《FiveThirtyEight》、《连线》以及许多其他面向成人和儿童的出版物上。丽贝卡在科罗拉多州长大,离太空更近一英里,现在住在圣路易斯,靠近大陆两条最强大的河流的交汇处。

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