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研究显示飞行中通过激光照射的鸟类揭示了飞行研究的缺陷

护目镜很紧,下巴带固定。条件很平静,激光准备好了; 空气中注入了微小的气溶胶颗粒,这些气溶胶颗粒在最轻微的破坏下会被分散和跟踪。等待信号。研究人员指出。鸟飞了!

这是办公室里另一天名为Obi的小鹦鹉。

作为一名与斯坦福机械工程师David Lentink一起工作的研究生,Eric Gutierrez训练了第二小鹦鹉物种的成员,以精确测量它在飞行过程中产生的漩涡。他们在12月6日出版的“ 生物呼吸与生物模拟”杂志上发表的研究结果有助于解释动物产生足够升力的方式,并可能对飞行机器人和无人机的设计产生影响。

“我们研究的目的是比较文献中非常常用的模型,以确定鸟类或其他飞行动物在其尾迹产生的升力,”Lentink实验室和研究所的研究生Diana Chin说。 - 该研究的作者。“我们发现,我们尝试过的所有三种模型都非常不准确,因为它们的假设并不一定正确。”

科学家们依靠这些模型来开发解释飞行动物产生的气流,以了解动物在飞行过程中如何支撑它们的重量。这些结果通常用于飞行机器人和受这些动物生物学启发的无人机的工作。生物启发的机器人是Lentink的特色 - 他的学生开发了第一个可以像昆虫一样垂直起飞和降落的机器人和一个类似机器人的机器人,它们的机翼在俯冲和滑行时会变形。

鸟戴着护目镜

在这项实验中,该研究的主要作者,Lentink实验室的前研究生Gutierrez使用人体激光护目镜,3D打印插座和兽医胶带制作了鹦鹉大小的护目镜。护目镜侧面还有反射标记,因此研究人员可以跟踪鸟的速度。然后,他训练欧比戴上护目镜,从鲈鱼飞到鲈鱼。

经过训练,这只鸟飞过激光片,照射出无毒的微米级气溶胶粒子。当这只鸟飞过种子激光片时,它的机翼运动扰乱了粒子,产生了飞行产生的漩涡的详细记录。

那些从奥比的翼尖上旋转下来的粒子创造了迄今为止飞行动物留下的尾迹最清晰的画面。过去的测量已经在动物身后拍了几个翅膀,并预测动物产生的漩涡会随着时间的推移而保持相对冷冻,就像飞机凝结物在它们消散之前一样。但是这项工作的测量结果显示,鸟尖涡旋以突然的戏剧性方式破裂。

“现在,虽然涡旋破裂发生在远离飞机后面 - 比如超过一千米 - 在鸟类中,它可能发生在非常接近鸟类的情况下,在两到三个翅膀内,并且更加暴力,”Lentink说。 ,谁是论文的高级作者。

接受三种理论

问题是基于动物唤醒的不准确概念的升力模型是否有效。

该团队将三种主流模型中的每一种应用于他们记录的实际测量值,并从中生成了对每次翼拍产生的升力量Obi的三种不同估计。然后,他们将这些计算的升力估算值与先前使用Lentink实验室开发的敏感设备进行的研究中测量的实际升力进行了比较。(该仪器,一个空气动力平台,非常敏感,当他们通过弹出一个完全充气的气球测试原型时几乎破裂,Lentink说。)

他们发现,在不同程度上,所有三个模型都无法预测拍打鹦鹉产生的实际升力。

需要新模型

这项研究突出了基于动物飞行知识开发飞行机器人的挑战。三种模型之间的差异,加上早期研究中涉及的各种动物,包括其他鸟类,蝙蝠和昆虫,使得文献中的比较极具挑战性。正如当前选项的有问题的表现所示,一个全新的模型可能就是答案。

“很多人都会看动物飞行文献中的结果,以了解机器人翅膀如何设计得更好,”Lentink说。“现在,我们已经证明人们使用的方程式并不像社区所希望的那样可靠。我们需要新的研究,新的方法来更加可靠地为这个设计过程提供信息。”

Lentink认为,他的实验室开发的新技术 - 直接测量力的技术 - 可以与详细的流量测量相结合,以更好地剖析和模拟动物飞行中涉及的空气动力学现象。

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