模拟蝙蝠机动性以打造更好的机器人蝙蝠

海鸥无人机、RoboBees 和人力飞机——所有这些飞行器都大量借鉴了大自然的设计。但要制造出以动物为灵感的机器人，至少需要了解动物的工作方式。人类可能永远无法制造出像蝙蝠这样复杂的东西，但我们可以制造出一个借用蝙蝠关键技巧的简化版本。弗吉尼亚理工大学的 Danesh Tafti 和同事们正在努力让这项工作变得更容易一些。

蝙蝠的翅膀实际上是手臂和手，上面覆盖着一层有弹性的、敏感的膜。只需抬起一根手指，蝙蝠就能在半空中做出微小的航向修正。但很难弄清楚它们是如何做到这一点的。你必须在蝙蝠身上安装很多传感器，让它飞起来，测量空气动力。然后计算机模拟必须处理这些读数，以模拟飞行的流体动力学。

塔夫蒂的团队最近利用布朗大学团队完成的测量记录进行了后者的研究。他们模拟了蝙蝠翅膀产生的流场，这在实验中很难测量——想象一下在风洞中观察蝙蝠扇动翅膀，并试图理解其中的物理原理。

“这个东西到处都在动，所以要定量评估流场的情况极其困难，”塔夫蒂说。“它可以单独操纵手指——伸展、放松，做各种鸟类做不到的事情。蝙蝠在操纵翅膀时拥有的自由度数量是独一无二的，所以这是一种非常复杂的运动。”

飞行需要两个条件：升力，即让你保持飞行的力；推力，即让你向前移动（通常用于产生升力）。鸟类、蝙蝠和昆虫通过拍打翅膀和滑翔来飞行。人类通过在空中快速推动或拉动固定的机翼来飞行，本质上是形成将机翼向上拉的气压梯度。（机翼是飞机的机翼。）

升力和推力都是复杂的力，尤其是对于蝙蝠这种非常复杂的翅膀来说。你必须测量它们对整个翅膀的作用。塔夫蒂和他的团队观察了一只小短鼻果蝠在以大约 21 度角直线飞行时测量的数据。塔夫蒂说，它在爬升，所以它产生的升力更大。

他们注意到，翅膀在空中移动时会以多种方式变形。蝙蝠会改变翅膀的表面积和扭转力，从而对其手指进行细微调整。此图显示了翅膀在飞行过程中变形的所有复杂方式：

在这个特定的动作中，蝙蝠试图爬升，所以这不是最有效的飞行配置。塔夫蒂说，蝙蝠的推进效率（相对于其他类型的生物效率）只有 8% 左右。但这没关系，因为它正在做这样的事。这类似于一架喷气式客机使用最大功率起飞，并在达到巡航高度时保持水平。“它所消耗的大部分功率都用于增加升力，而不是推力，”塔夫蒂说。

所有这些有助于解释蝙蝠手翼复杂而扭曲的运动如何产生升力和推力。下一步是将这只蝙蝠的实验飞行分解成单个微小的动作，看看哪些小翅膀的弯曲或某些形状最有活力。

“蝙蝠非常敏捷；它们在空中会做出各种疯狂的动作。它们会改变轨迹、转弯、俯冲，”塔夫蒂说。“我们想做的是研究大量不同类型的翅膀运动，并尝试找出不同动作之间的某些共同点。”

最终目标是：建立一个简化的蝙蝠飞行模型，工程师们可以利用它来制造飞行起来像真蝙蝠一样的机器蝙蝠。“你可以称它们为蝙蝠完整运动的基本组成部分，”塔夫蒂说。“我们正在努力将肉和骨头分开。”

参考文献：果蝠的直线攀爬飞行空气动力学。K. Viswanath、K. Nagendra、J. Cotter、M. Frauenthal 和 DK Tafti。Phys. Fluids 26, 021901 (2014)
DOI: https://dx.doi.org/10.1063/1.4864297/