工程师研究鸟类飞行着眼于改进无人驾驶无人机

几个世纪以来，人们一直对鸟类飞行着迷，但鸟类究竟如何在空中如此敏捷仍然是个谜。9月5日发表在《国家科学院院刊》上的一项新研究使用建模和空气动力学来描述海鸥如何改变翅膀的形状以控制它们对阵风或其他干扰的反应。这些教训有一天可能适用于无人驾驶飞行器或其他飞行器。

“鸟类很容易进行具有挑战性的机动，而且它们具有适应性，那么它们的飞行究竟是什么对在未来的飞机中实施最有用?”加州大学戴维斯分校机械与航空航天工程系助理教授、论文第一作者克里斯蒂娜·哈维说。

在获得机械工程学士学位后，哈维开始在不列颠哥伦比亚大学攻读动物学硕士学位，开始研究海鸥。

“海鸥很常见，也很容易找到，它们真的是令人印象深刻的滑翔机，”她说。

哈维在密歇根大学继续她的海鸥研究工作。在完成航空工程博士学位后，她最近加入了加州大学戴维斯分校的教职员工。

今年3月，密歇根大学的Harvey及其同事在Nature上发表了一篇论文，分析了22种鸟类的飞行动力学。虽然以前的研究倾向于关注空气动力学——空气如何在鸟类周围移动——但哈维开发了描述鸟类惯性特性的方程，例如重心和中性点，其中空气动力可以一致地建模为点力。

飞机通常设计为稳定或不稳定。稳定的飞机在受到干扰(例如，被阵风推起)时往往会恢复稳定飞行。例如，这在客机中是可取的，但对于喷气式战斗机则不是。高度机动的飞机被设计成不稳定的。

在他们的Nature论文中，Harvey及其同事表明，几乎所有研究的鸟类都能够稳定和不稳定地飞行，并利用机翼运动在这些模式之间切换。

三种鸥翼风洞模型。通过将空气动力学研究与惯性力建模相结合，航空航天工程师克里斯蒂娜·哈维(ChristinaHarvey)获得了关于鸟类如何控制飞行的新见解。学分：克里斯蒂娜哈维/加州大学戴维斯分校

可控飞行

这项新研究以这项工作为基础，将使用风洞中海鸥和海鸥翅膀的3D打印模型的空气动力学研究与惯性力的计算机建模结合起来，以了解海鸥如何沿其长轴(下降或上升)实现稳定性。

他们发现，海鸥可以通过调整手腕和肘关节以及改变翅膀的形状来调整它们对该轴的扰动的反应。该团队能够预测海鸥的飞行质量以及它们从阵风等扰动中恢复的速度。该反应时间还可以深入了解鸟类的“可控范围”以及将鸟类飞行动力学应用于飞机。

“飞行质量分析的问题是：如果你建造一架完全像海鸥一样的飞机，人类是否能够驾驶它?”哈维说。

随着无人驾驶飞行器或无人机的使用越来越广泛，它们需要能够在复杂的城市环境中导航，而鸟类非常擅长这一点。对鸟类飞行的更深入了解可以帮助改进无人机的各种用途设计。

Harvey将于今年秋天在加州大学戴维斯分校开设她的实验室。她希望与其他校园研究人员合作，包括加州猛禽中心和生物科学学院从事昆虫飞行的研究人员。

“关于鸟类飞行有很多悬而未决的问题，”她说，“我很期待看到还有什么可以发现的。”

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