戴護目鏡的鸚鵡和激光如何改進飛行機器人設(shè)計

想象一下：一只戴著紅色飛行員護目鏡的太平洋小鸚鵡在空中閃耀，可愛與科學(xué)的結(jié)合，勾勒出每一個有趣的內(nèi)容。這只鸚鵡是加州實驗室的科學(xué)家招募來研究生物飛行動力學(xué)并學(xué)習(xí)如何在大自然的幫助下創(chuàng)新自主飛行機器人設(shè)計的太平洋鸚鵡歐比。Obi 戴著護目鏡以保護他的眼睛，因為他沖過被激光照射的水顆粒。

當歐比在粒子中拍打時，他的翅膀會在氣流中產(chǎn)生破壞性的波浪圖案，類似于游泳者在水中留下的尾跡。測量和分析粒子軌跡為保持飛行器漂浮和推動它們向前所需的力提供了前所未有的精確度，這顛覆了以前對氣流物理學(xué)的理解。

斯坦福大學(xué)機械工程助理教授、研究作者大衛(wèi)·倫廷克說，奧比幫助科學(xué)家們在相距約三英尺的兩個棲息處飛行，通過非常細的水顆粒霧，“直徑只有一微米”。在他飛行的過程中，以每秒 1000 次的速度閃爍的高速激光擊中水滴并四散開來，形成可見的空氣圖案，然后被每秒拍攝 1000 幀的高速相機捕捉到。

結(jié)果顯示出一些意想不到的結(jié)果：歐比的翅膀最初拍動產(chǎn)生的渦流在隨后的兩到三下翅膀拍動后幾乎立即瓦解——同時計算機模型預(yù)測，一旦形成渦流，渦流會在幾秒鐘內(nèi)保持相對穩(wěn)定。

Lentink 在一封電子郵件中告訴 Live Science：“我們驚訝地發(fā)現(xiàn)，通常在論文和教科書中畫出的漩渦，因為漂亮的甜甜圈環(huán)在兩到三下翅膀拍打后會急劇破裂?！?這意味著用于根據(jù)動物產(chǎn)生的尾流計算動物升力的飛行模型很可能是不正確的。

“多虧了高速記錄，我們能夠捕捉到它并以慢動作回放，所以我們可以用肉眼看到渦流是如何破裂的，這使得模型很難很好地預(yù)測升力，”Lentink說。

Lentink 的團隊測試了另外三個不同的模型，插入了 Obi 飛行中空氣模式的多個測量值，并將模型的升力估計值與他們自己的進行比較。不出所料，沒有一個模型與科學(xué)家的計算相符。

“許多人查看動物飛行文獻中的結(jié)果，以了解如何更好地設(shè)計機器人翅膀，”倫廷克在一份聲明中說?！艾F(xiàn)在，我們已經(jīng)證明，人們使用的方程式并不像社區(qū)希望的那樣可靠。我們需要新的研究、新的方法來更可靠地為這個設(shè)計過程提供信息?！?/p>

現(xiàn)在科學(xué)家們明白沒有單一的模型可以解釋有翼飛行；他們可以開始重新評估現(xiàn)有知識并建立更新的模型。鑒于擁有飛行能力的動物數(shù)量眾多，模型中可能存在更大的差異——這表明目前的理解過于簡單化了。更新它們可以改進飛行機器人的設(shè)計。