无人机的飞行:科学家们如何创造更好的飞行器?他(tā)们(men)从自然界中(zhōng)寻(xún)找灵感(gǎn),研究发现有翼动物即便(biàn)是在困难的条件下,也能(néng)有效地穿过(guò)空气的适应性(xìng)变化。现如今的无(wú)人机比以(yǐ)往任何时候的(de)都(dōu)更为复杂,在科(kē)学家们探索出(chū)更多(duō)的昆虫、 蝙蝠以及鸟(niǎo)类飞行(háng)成功的(de)秘密后,将会(huì)继续提高它们的性能。
潜入水中:很(hěn)多飞行器正展翅高飞,而(ér)一种(zhǒng)新(xīn)型的无人机就像(xiàng)水鸟一样,可以从半空中一跃(yuè)入水。有翼无人(rén)机 (AquaMAV) 拥有(yǒu)能变形的翅膀,当它潜水时,便(biàn)会将翅膀折(shé)叠起来。这种水生微型(xíng)飞行器重量仅有200 克,它可以飞(fēi)向目的地,或(huò)是进入水下的目的地,在水下(xià)进行短(duǎn)暂的数(shù)据收集后,使用喷气推进的方式将自己(jǐ)推送到空中(zhōng),然后回到基地。
小憩(qì):在(zài)迁移(yí)期间,有些鸟能(néng)连续飞几天甚至几个(gè)月不休息,它们如何在长途飞行中补(bǔ)眠的(de)问题长期困扰(rǎo)着(zhe)科学家(jiā)们。以前,人们(men)认为(wéi)长途飞行的(de)军(jun1)舰鸟在飞行(háng)的过(guò)程中,一次只休息一个脑半球——从字面上理解,就(jiù)是睡觉时睁一(yī)只眼闭一只眼。但一(yī)项(xiàng)新研究(jiū)对(duì)处于长期洄游行程(chéng)中的鸟(niǎo)儿,进行了第一次脑部(bù)扫描,科学家们发现(xiàn),在某些时刻,它们完全睡着了,但时间非常短(duǎn)暂,并且是在高空(kōng)下(xià)进行(háng)着机械性滑(huá)翔。
无(wú)声的飞行:科学家们仔细(xì)地观察猫头鹰(yīng)的(de)翅膀,从而了(le)解(jiě)这些鸟类掠食者如何(hé)在飞(fēi)行中不发出任(rèn)何声音。生物学家、 数(shù)学家以及工程师们研究猫头鹰的气动(dòng)性能;他(tā)们发现,羽(yǔ)毛(máo)之间功(gōng)能性的结合,铸就了无声的飞行。他(tā)们发(fā)现,猫头鹰(yīng)翅膀的大(dà)尺寸面(miàn)积(jī)允许他们以(yǐ)较慢的速度飞行,以此来减少它(tā)们制造的(de)噪音,而羽(yǔ)毛之间(jiān)的连锁结(jié)构以及天鹅绒般的表面纹理,也(yě)能抑制(zhì)噪音,就如(rú)同机翼边(biān)缘滑过空中(zhōng)所(suǒ)留下(xià)的(de)痕迹。
危害控制:即使是最稳(wěn)固的无人机也(yě)可能(néng)会损坏,因此(cǐ)科学家(jiā)们正在研究飞行器如何修复(fù);他们正在研(yán)究动物如何修复受伤的(de)翅膀,且在此之(zhī)后依然能飞行——甚至是翼膜受到了严重的损伤。研究人员(yuán)用高(gāo)速摄像机记(jì)录对失去一边翅膀的果蝇进(jìn)行(háng)的测试,测(cè)试结果表明(míng),果(guǒ)蝇通过改(gǎi)变翅膀(bǎng)上下拍打的幅度(dù),并(bìng)让(ràng)身体倾向受伤的(de)翅膀一侧,从而适应在半(bàn)空中的飞行。
稳定:突如(rú)其来的一阵强风(fēng)会(huì)扰(rǎo)乱动物和飞行器的飞行,但科学家发现,即使是在狂风的情(qíng)况(kuàng)下(xià),蜜蜂仍能坚持飞(fēi)行觅食。为了了解蜜蜂如何穿过狂风,研究人员将昆(kūn)虫置于风洞(dòng)中,并记录(lù)下他们的飞行(háng)动作。他们发现,蜜蜂用(yòng)不(bú)同的反应来调整(zhěng)自己,从而让自(zì)己(jǐ)停(tíng)留在(zài)半(bàn)空(kōng)中,其中包(bāo)括(kuò)改变翅膀挥动的频率及振幅,以及多样(yàng)化他们飞行时的(de)拍(pāi)翅对称(chēng)性。通过模(mó)仿这(zhè)些技(jì)术,飞行(háng)器可以提高他(tā)们穿过空气湍流的能力。
一个方向:贴近(jìn)地面飞行的鸟,将会面临多(duō)变的飞行环境,它们需要迅速(sù)地处理视觉的(de)输入,快速地调整飞行方向,从而避(bì)开任(rèn)何阻拦它们的障碍物。为了找出鸟儿如何机动地调整和目标之间的间隔,同(tóng)时(shí)维(wéi)持(chí)前进(jìn)的动力,研(yán)究人员对(duì)鸽子进行了追踪,观察它们飞过放置的不同障碍物(wù)时的状态,并在三(sān)个维度中记录它们的动作。他(tā)们(men)发现鸽子选定的方向(xiàng)与它们飞翔时的方向密切相关,这样他们(men)就可以(yǐ)更快地飞行,且更少地调整翅膀挥动的节拍(pāi)。
正(zhèng)面朝上:有些时候,研究(jiū)人员会通过(guò)研(yán)究不会(huì)飞行的昆虫,来了(le)解飞行(háng)。竹节虫幼虫无(wú)翅(chì),但是(shì)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(zhōng)。科学(xué)家观察发现,当昆虫(chóng)掉落时,他们能通过腿部(bù)运动与气流相协调,从(cóng)而迅速地转动自己,使自己正面朝上(shàng),在0.3秒以内完全(quán)扭转过来。研究人员在他们的研究中解释道,这项技术可(kě)能是在昆虫(chóng)飞行(háng)进化的早期(qī)阶(jiē)段使用到的,它可以提高无人机在空中的敏捷(jié)性。
小心缝隙:季节性换羽是(shì)鸟类更新羽毛(máo)的方式,尚未完(wán)成换(huàn)羽的(de)鸟类仍然需要继(jì)续(xù)飞行(háng),而在一些情况(kuàng)下,无(wú)视(shì)翅膀的(de)状况可能会受到安全的威胁。研究者们选取了(le)乌鸦家庭中的一只寒(hán)鸦,以飞行的空(kōng)气动力学的角度,观察它在换(huàn)羽的(de)不同(tóng)阶(jiē)段的(de)状态。研究者发现,在换羽期间,鸟类的飞行效率会降(jiàng)低,但鸟类会通过(guò)调整翅(chì)膀(bǎng)的(de)姿势来(lái)弥(mí)补(bǔ)羽毛缺(quē)失(shī)的情况,这(zhè)也是一种(zhǒng)可以运用(yòng)于机翼(yì)损坏的无人机飞行的策略(luè)。

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