戴护目镜的鹦鹉和激光如何改进飞行机器人设计

想象一下：一只戴着红色飞行员护目镜的太平洋小鹦鹉在空中闪耀，可爱与科学的结合，勾勒出每一个有趣的内容。这只鹦鹉是加州实验室的科学家招募来研究生物飞行动力学并学习如何在大自然的帮助下创新自主飞行机器人设计的太平洋鹦鹉欧比。Obi 戴着护目镜以保护他的眼睛，因为他冲过被激光照射的水颗粒。

当欧比在粒子中拍打时，他的翅膀会在气流中产生破坏性的波浪图案，类似于游泳者在水中留下的尾迹。测量和分析粒子轨迹为保持飞行器漂浮和推动它们向前所需的力提供了前所未有的精确度，这颠覆了以前对气流物理学的理解。

斯坦福大学机械工程助理教授、研究作者大卫·伦廷克说，奥比帮助科学家们在相距约三英尺的两个栖息处飞行，通过非常细的水颗粒雾，“直径只有一微米”。在他飞行的过程中，以每秒 1000 次的速度闪烁的高速激光击中水滴并四散开来，形成可见的空气图案，然后被每秒拍摄 1000 帧的高速相机捕捉到。

结果显示出一些意想不到的结果：欧比的翅膀最初拍动产生的涡流在随后的两到三下翅膀拍动后几乎立即瓦解——同时计算机模型预测，一旦形成涡流，涡流会在几秒钟内保持相对稳定。

Lentink 在一封电子邮件中告诉 Live Science：“我们惊讶地发现，通常在论文和教科书中画出的漩涡，因为漂亮的甜甜圈环在两到三下翅膀拍打后会急剧破裂。” 这意味着用于根据动物产生的尾流计算动物升力的飞行模型很可能是不正确的。

“多亏了高速记录，我们能够捕捉到它并以慢动作回放，所以我们可以用肉眼看到涡流是如何破裂的，这使得模型很难很好地预测升力，”Lentink说。

Lentink 的团队测试了另外三个不同的模型，插入了 Obi 飞行中空气模式的多个测量值，并将模型的升力估计值与他们自己的进行比较。不出所料，没有一个模型与科学家的计算相符。

“许多人查看动物飞行文献中的结果，以了解如何更好地设计机器人翅膀，”伦廷克在一份声明中说。“现在，我们已经证明，人们使用的方程式并不像社区希望的那样可靠。我们需要新的研究、新的方法来更可靠地为这个设计过程提供信息。”

现在科学家们明白没有单一的模型可以解释有翼飞行；他们可以开始重新评估现有知识并建立更新的模型。鉴于拥有飞行能力的动物数量众多，模型中可能存在更大的差异——这表明目前的理解过于简单化了。更新它们可以改进飞行机器人的设计。

审核编辑：彭静