蜂鸟飞行可以为飞行器的仿生学提供见解

蜂鸟在自然界中占有独特的地位：它们像昆虫一样飞翔，但拥有鸟类的肌肉骨骼系统。据宾夕法尼亚州立大学机械工程专业的KennethK.和OliviaJ.Kuo早期职业副教授BoCheng介绍，蜂鸟具有极高的空中敏捷性和飞行形式，这就是为什么许多无人机和其他飞行器被设计成模仿蜂鸟运动的原因。

Cheng和他的研究团队使用一种新颖的建模方法，对蜂鸟如何产生翅膀运动有了新的认识，这可能会导致飞行机器人的设计改进。他们的结果本周发表在皇家学会学报B上。

“我们基本上对机翼肌肉骨骼系统的内部工作进行了逆向工程——蜂鸟的肌肉和骨骼如何工作以拍打翅膀，”第一作者和宾夕法尼亚州立大学机械工程研究生SuyashAgrawal说。

“传统方法主要侧重于测量鸟类或昆虫在自然飞行中或在模拟飞行条件的人工环境中的活动。但大多数昆虫，特别是鸟类中的蜂鸟非常小。数据我们可以从这些测量中得到的信息是有限的。”

研究人员使用肌肉解剖学文献、计算流体动力学模拟数据和使用显微CT和X射线方法捕获的翅膀骨骼运动信息来为他们的模型提供信息。他们还使用了一种基于进化策略的优化算法，称为遗传算法，来校准模型的参数。据研究人员称，他们的方法是第一个将这些不同部分整合到生物传单中的方法。

“我们可以模拟蜂鸟翅膀的整个重建运动，然后模拟扑翼产生的所有流动和力，包括作用在翅膀上的所有压力，”Cheng说。“由此，我们能够反算出拍打机翼所需的总肌肉扭矩。我们用这个扭矩来校准我们的模型。”

通过这个模型，研究人员发现了以前未知的蜂鸟翅膀驱动原理。

Cheng表示，第一个发现是蜂鸟的主要肌肉，即它们的飞行引擎，不只是简单地前后摆动翅膀，而是向三个方向拉动翅膀：向上和向下，向后来回，扭曲或俯仰机翼。研究人员还发现，蜂鸟使用多个较小的肌肉在上下方向和俯仰方向收紧肩关节。

“这就像我们进行健身训练时，教练说要收紧你的核心，这样才能更灵活，”Cheng说。“我们发现蜂鸟正在使用类似的机制。它们在俯仰和上下方向收紧翅膀，但在前后方向保持翅膀松弛，所以它们的翅膀看起来只是来回拍打而它们的动力肌，或者说它们的飞行引擎，实际上是在三个方向上拉着翅膀。这样一来，翅膀在上下运动和扭转运动中都有很好的敏捷性。

虽然Cheng强调优化模型的结果是需要验证的预测，但他表示这对飞行器的技术发展有影响。

“尽管目前还没有完全模仿蜂鸟飞行的技术，但我们的工作为蜂鸟的知情模仿提供了基本原则，希望能用于下一代灵活的空中系统，”他说。

蜂鸟在自然界中占有独特的地位：它们像昆虫一样飞翔，但拥有鸟类的肌肉骨骼系统。据宾夕法尼亚州立大学机械工程专业的KennethK.和OliviaJ.Kuo早期职业副教授BoCheng介绍，蜂鸟具有极高的空中敏捷性和飞行形式，这就是为什么许多无人机和其他飞行器被设计成模仿蜂鸟运动的原因。

Cheng和他的研究团队使用一种新颖的建模方法，对蜂鸟如何产生翅膀运动有了新的认识，这可能会导致飞行机器人的设计改进。他们的结果本周发表在皇家学会学报B上。

“我们基本上对机翼肌肉骨骼系统的内部工作进行了逆向工程——蜂鸟的肌肉和骨骼如何工作以拍打翅膀，”第一作者和宾夕法尼亚州立大学机械工程研究生SuyashAgrawal说。

“传统方法主要侧重于测量鸟类或昆虫在自然飞行中或在模拟飞行条件的人工环境中的活动。但大多数昆虫，特别是鸟类中的蜂鸟非常小。数据我们可以从这些测量中得到的信息是有限的。”

研究人员使用肌肉解剖学文献、计算流体动力学模拟数据和使用显微CT和X射线方法捕获的翅膀骨骼运动信息来为他们的模型提供信息。他们还使用了一种基于进化策略的优化算法，称为遗传算法，来校准模型的参数。据研究人员称，他们的方法是第一个将这些不同部分整合到生物传单中的方法。

“我们可以模拟蜂鸟翅膀的整个重建运动，然后模拟扑翼产生的所有流动和力，包括作用在翅膀上的所有压力，”Cheng说。“由此，我们能够反算出拍打机翼所需的总肌肉扭矩。我们用这个扭矩来校准我们的模型。”

通过这个模型，研究人员发现了以前未知的蜂鸟翅膀驱动原理。

Cheng表示，第一个发现是蜂鸟的主要肌肉，即它们的飞行引擎，不只是简单地前后摆动翅膀，而是向三个方向拉动翅膀：向上和向下，向后来回，扭曲或俯仰机翼。研究人员还发现，蜂鸟使用多个较小的肌肉在上下方向和俯仰方向收紧肩关节。

“这就像我们进行健身训练时，教练说要收紧你的核心，这样才能更灵活，”Cheng说。“我们发现蜂鸟正在使用类似的机制。它们在俯仰和上下方向收紧翅膀，但在前后方向保持翅膀松弛，所以它们的翅膀看起来只是来回拍打而它们的动力肌，或者说它们的飞行引擎，实际上是在三个方向上拉着翅膀。这样一来，翅膀在上下运动和扭转运动中都有很好的敏捷性。

虽然Cheng强调优化模型的结果是需要验证的预测，但他表示这对飞行器的技术发展有影响。

“尽管目前还没有完全模仿蜂鸟飞行的技术，但我们的工作为蜂鸟的知情模仿提供了基本原则，希望能用于下一代灵活的空中系统，”他说。