机器人飞行要学鸟类

一个关于有翼运动的统一理论也许能解释鸟类和昆虫在半空中那不可思议的机动飞行，并指导飞行机器人的设计。

运用高速摄像机，生物学家们对蜂鸟和天蛾如何在半空中运用翅膀不对称拍打实现慢速转向进行了建模。这个模型预测了其它五种飞鸟如何全速转向，这暗示了飞行生物的转弯可能存在一项通用技术。

“这其实是一个指数率衰减系统，” Ty Hedrick说，他是北卡罗来纳大学的一位动物空气动力学专家。“减速所需的力度与速度成正比。”

从鸟类的中空骨骼到蜻蜓的可折叠翼，虽然科学家们知道了很多基础的飞行增强的生物学原理，但关于转向的生物力学在很多方面仍是一个谜。

不同物种的构造是否存在根本性差异，又或者是基于同一主线的变种，对此研究者们还不确定。Hedrick的发现发表在周四的《科学》上，他认为从恐龙涉足天空起，1.5亿年中的进化压力造就了一个共有的解决办法。

虽然这种动力学无法应用到非常大的级别—-建筑物大小的机器“鸟”不可能和燕子比灵活—-但它们可以用在小型军用或探索用的无人驾驶机上。与蜂鸟或果蝇的平均水平相比，现在的飞行器笨拙而且并不稳定。

“这些结果将会影响到未来所有关于动物机动飞行和仿生飞行机器人的研究。” Bret Tobalske写下了这样的评论，他是蒙大拿大学密苏拉分校的一名生物力学专家。

Hedrick的团队使用1000帧每秒的摄像机来观测天蛾和蜂鸟在进食前的盘旋。在每一次的转向过程中，一侧的翅膀快速向下拍，而另一侧的翅膀则快速向上拍。。

这种不对称使飞行者们在刚开始转向的时候就能减速。速度最快时，效果也最显著。

“在它们开始转动翅膀，停止对称拍击的瞬间，它们的身体就如同刹车闸一样工作。” Hedrick说。

运动的测量提供了一个模型，对不同大小进行调整后，这个模型预测了飞行者们在半空中的运动，其中包括四种昆虫、美冠鹦鹉、蜂鸟和蝙蝠。

在体型相似的动物中，是翅膀拍击的频率—而不是身体的尺寸—控制着转向能力。灵巧的蜂鸟和果蝇完成一次转向所需的双翼拍击次数相同。

“为了理解这个结果的重要性，我们可以对比一下，飞行动物们为了控制空气动力而形成的飞行排列可是多种多样的，” Tobalske写道。“在大部分身体尺寸范围中，拍击反力矩模型都是肯定的，这个事实显示它代表了一个通用的模型。”

这很有可能帮助飞行者们在碰到阵风时恢复平衡，在他们的大脑对扰动做出反应之前提供一个天然稳定器，Hedrick说。

这项研究的合作者，来自Darpa资助的特拉华大学的机械工程师Xin-Yan Deng和Bo Cheng，将应用这项发现完善他们的 仿昆虫无人空中交通工具。

至于Hedrick，他接下来准备研究更复杂的空中飞行者的机动机制，也许会在燕子和其他小型鸟类身上装上小型的传感器背包。

“动物们的飞行是那样平稳而优雅，我们甚至没有意识到这本是很难的事，” Hedrick说。“我们很难在机器人上复制这种行为。”

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