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。”
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。
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/
