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留心机械昆虫!仿生飞行器即将「入侵」 | HyperTech

前沿社 极客公园前沿社 2022-04-30


HyperTech 是一个全球前沿视野的编译栏目,我们筛选近期科技领域的评论文章,进行信息整合并提供所有原文链接。

使用昆虫的飞行原理制造仿生飞行器?这似乎不是一个新奇的创想。去年上映的电影《沙丘》中,最惊艳的场景莫过于 「厄崔迪扑翼飞行器」 。它缓缓打开 8 片利如刀锋的金属翅翼,像一只掠食的金属蜻蜓伏在沙丘上。接近基地时,迅速收拢翅膀,贴伏在身侧,如同一枚飞镖一样俯冲而下,精准着陆。


电影 《沙丘》中的「厄崔迪扑翼飞行器」| artstation


而现实中,通过模仿昆虫飞行原理制作的仿生飞行器早已出现。例如,麻省理工大学仿生飞行器实验室去年设计了一架仅重 6 克,约黄蜂大小的微型飞行器。这架飞行器的翅翼由一种软性橡胶材料和纳米碳管构成,每秒扇动约 500 次, 并且能像真的黄蜂那样抵御一定程度的撞击。


麻省理工大学制作的仿生飞行器 | MIT NEWS


而今年,一个关于昆虫飞行的新发现或许能为微型无人机的设计提供新的灵感。


1 月 19 日,一篇发布在《自然》杂志上的研究发现了一种新奇的昆虫飞行方式。这种昆虫叫做羽翼甲虫,是一种非常微小的飞行甲虫,大小只有两张信用卡叠起来的厚度那么长。其特殊之处在于,小型甲虫一般无法飞得很快,而羽翼甲虫却能以 3 倍于同体型甲虫的速度来飞行。研究发现,羽翼甲虫高速飞行的秘诀在于其特殊的翅膀构造。


研究中发现的羽翼甲虫 (Paratuposa placentis)拥有长长的羽根和刚毛 | Nature


与大型甲虫不同,羽翼甲虫的翅片很窄,上面长满刚毛。相比于其他甲虫的薄膜状翅翼,这些长满刚毛的羽翼更轻,但又不会让空气从缝隙中穿过。


昆虫的飞行原理很早就被利用在无人机的设计中。近年来,已经陆续有多个国家将小型无人机纳入军事设备。2020 年,英国无人机公司 UAVTEK 与 BAE 公司合作开发了名为 「Bug」 的小型飞行器。Bug 可以在恶劣天气下以高达 22 m / s 的速度运行, 并能应对 35 节的风速。此前,美国在对叙利亚战争中使用了 「 Black Hornet Nano 」 (「黑黄蜂」)无人机。这些飞行器大概只有 20 厘米长,重约 170 克, 和普通的手机差不多。


英国制造的「Bug」无人机 | BBC 


微型刚毛羽翼的空气动力学原理是目前的研究重点,因为类似的流动条件对于许多微型物体来说都十分典型。小型化是一种普遍趋势,不仅体现在动物群体的进化中,同时也体现在技术的发展上。了解微型昆虫的飞行原理可以帮助工程师制造像羽翼甲虫一样小的无人机。

昆虫「游泳」前行

微型昆虫的飞行原理一直是困扰生物学家们的难题。早期的研究发现,相比于同样是飞行高手的鸟类,昆虫的飞行似乎神奇得多。按照鸟类飞行的逻辑来看,昆虫的翅膀太小,提供的升力完全不能把沉重的身子带上天空。那么昆虫是如何做到的?答案在于昆虫独特的扑翼方式。

昆虫使用的动作更接近于游泳或踩水,而不是我们通常认为的飞行。这涉及到复杂的流体力学,比如空气的粘稠度,物体的大小以及物体运动的速度。简单来说,像鸟类这种体型比较大,速度又很快的飞行动物,空气经过翅膀时是非常平稳的,翅膀上方和下方的气流运动基本保持平行。而由于鸟类翅膀的背部是略微拱起的,经过平流的空气时,翅膀背部的空气流速会加快,从而导致气压降低。这时,翅膀下的气压高于背部气压,就产生了持续的升力。


而昆虫比鸟类体型小得多,翅膀与身体的比例更是小得可怜,因此它们无法像鸟一样快速飞行。另外,由于昆虫的体重太轻,空气阻力对于他们来说十分强大,在空气中飞行更像是在粘稠的液体里游泳。因此,昆虫采用了另外一种飞行方式 —— 制造空气漩涡,借助漩涡的力量形成升力。


昆虫不是像鸟一样上下拍打翅膀来飞行,而是以 8 字形前后移动翅膀。昆虫向前挥动翅膀飞行的时候,翅膀大约以 45° 的迎角倾斜于水平面;而向后拍打的时候,迎角则陡然变成 135° 。


昆虫 8 字形挥翅路径 | Physics


然而,这样半竖着来回拍打并不能提供很多向上的动力。因为从翅膀的受力情况来看, 翅膀受到一小部分向上的阻力和垂直于翅面的阻力。向上的阻力会使昆虫获得一小部分升力。而翅面受到的阻力则被昆虫巧妙地利用起来,构成了一个向上的漩涡。


翅膀向前拍动的时候,带动下面的空气向前运动;向后拍动的时候,则把翅面上方的空气推向后面。这时由于气压变化的原因,翅面下方的空气会补上来,这样就形成了一个空气漩涡。空气漩涡上升时,由于漩涡内部压强低的原因,翅膀就这样被 「吸」 上来了。


昆虫前后挥翅形成空气漩涡 | Physics


飞行要有多努力

对于昆虫来说,45° 的迎角不会造成什么困难。但对于一架飞机来说,机翼倾斜过大会导致机头角度陡峭,这种情况会使飞机突然失去升力并迅速下降,称为空气动力学失速。早期的仿生机器人通过实验解释了为什么昆虫不会失速。


1990 年,加利福尼亚大学科技研究院的 Dickinson 制造了仿生机器人 Robofly;同期,英国剑桥大学的 Charlie Ellington 也制作出类似的飞行器 Flapper 。


这些飞行器比真正的昆虫大得多,但研究人员使用了一些技巧来重现昆虫的飞行条件。例如,Robofly 在矿物油中运行,它模仿了一只小虫子经历的粘糊糊的气流。团队还以较慢的速度拍打机器人机翼,以便看清液体的流向。


Robofly 在矿物油中慢速拍打机翼 | Physics


这项早期的实验解释了昆虫为何采用这样的飞行方式。如果一只 1 厘米的昆虫像鸟一样以接近水平的角度拍打翅膀,的确会产生足够的升力。然而,类似体型的大黄蜂每秒拍打的次数是 250 次,而蚊子则高达每秒 600 次。


「昆虫拍打翅膀的速度达到了极限,」 Dickinson 说。它们通过将翅膀倾斜到高迎角来补偿拍打次数上的不足,这提供了比鸟类更大的升力。但高迎角带来了更大的空气阻力。实验显示,昆虫的升阻比 (升力:阻力)只有 1 左右,比鸟类小 10 倍,比飞机小 100 倍。因此,昆虫本质上是靠极大的能量消耗来进行飞行的。


无人机动力困境


到 2000 年代初,人们对昆虫的飞行原理有了基本的了解。工程师们开始学习生物方面的知识,尝试利用昆虫的飞行技巧来制造厘米级的飞行器。考虑到效率问题,工程师开始思考完全模仿昆虫的翅膀是否是最佳选择。对于厘米级的飞行器来说,类似直升机的旋转机翼似乎更好。


西雅图华盛顿大学的机器人工程师 Sawyer Fuller 说:「就像动物一样,微型机器人也会受到体型的影响。」 旋转机翼非常适合大型机器人,但随着尺寸缩小,轴承摩擦和磁线圈中的热损失会使效率降低。因此,工程师开始尝试使用压电致动器来为飞行器提供动能。


美国华盛顿大学机器人科学家 Sawyer Fuller 制作的微型无人机 | University of Washington


2013 年,Fuller 和哈佛大学 Rob Wood 小组发布了第一台 Robobee,这是一种翼展为 3 厘米的扑翼机器人。这台重达 80 毫克的机器可以悬停 7 秒,并且可以执行特殊的飞行动作。但是,由于电池很重,因此需要系绳来供电。它也没有板载「大脑」,所有传感和飞行命令都是由外部系统完成的。


但现在的许多飞行器摆脱了这种束缚,并且可以携带传感器和轻便的控制器。例如,威斯康星大学制造了一个重量为 100 毫克的飞行器,该机器人携带了一个小型处理器来控制翅膀的拍打。研究人员表示,这些小型飞行器可以应用于搜救行动、军事侦察或危险气体探测。


想要像苍蝇一样敏捷?歪个头吧!


与鸟类不同,昆虫没有尾巴来控制转向,而是通过调整翅膀的角度来进行转向的。例如,通过降低翅膀摆动的幅度,昆虫可以控制身体的倾斜度。


荷兰台夫特科技大学的 Muijres 与同事一起制造了名为 DelFly Nimble 的无尾飞行器,用来模拟昆虫的机动性。这个飞行器有四个翅膀,赋予了它各个角度的敏捷性。经过编程控制,DelFly 能够像苍蝇一样快速又灵活地转向。「为了躲避危险,苍蝇会非常快速地倾斜转弯。」 Muijres 说。早期对真实苍蝇的观察表明,这些转弯只依靠身体的左右倾斜和前后俯仰就可以实现,而不需要在水平方向上做出调整。


 DelFly Nimble 能够进行敏捷转向 | ScienceNews


为了试验这一特性,Muijres 在 DelFly 执行躲避动作时关闭了飞行器的水平控制器。DelFly 却依然会自动倾斜身体以保持直线飞行。「这是由于空气动力学的耦合机制,如果你适量地侧身或低头,这个机制就会把你的鼻子转向飞行方向。」 Muijres 说。


与 DelFly 研究一样,很多科学家都在利用仿生机器人推动生物学的研究。美国加利福尼亚大学的生物机械学家 Gravish 认为,当前的趋势之一是让飞行器自动地对身体信息进行调整和反馈。例如,控制翼拍频率,让机器根据风向和风速自动调整翼角。

Gravish 最近的一项研究就是关于昆虫的自动反馈机制。研究人员想要探索的问题是,当昆虫撞到障碍物(如窗户或其他昆虫)后如何保持直线飞行。具体来说,他们希望了解这种自动的调整有多少来自于大脑,有多少来自于身体的 「机械反应」。为了研究这个问题,研究人员将柔性感应器放入机器人的机翼中,结果表明机翼完全能够自动应对干扰,而不需要大脑的调控。


昆虫为无人机的设计和改进带来的启发仍然在继续。然而,受限于材料和技术,仿生飞行器无法完全还原昆虫的构造。毕竟,生物具备的神经元和肌肉性能远不是机器能够比拟的。更好的路径或许是借鉴昆虫的飞行原理,利用计算机建模实现功能上的 「神似」。在未来,或许我们能看到微型无人机在更多领域实现应用,这也许也算得上是对自然的回馈吧。



封面图片:
编辑:之雍 & flaash
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