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通过研究动物飞行来改进机器人和无人机

纽约时报文章标题几乎这说明了一切:”这是一只戴着护目镜的鸟,在激光中飞行”。几乎,但并不完全如此。

为什么这只鸟戴着护目镜?

当然是为了保护眼睛不受激光伤害。

现在说说那些激光……

鹦鹉欧比,戴着护目镜在飞行。图片来源:斯坦福大学。

这只鸟的名字叫欧比。他是一个太平洋parrotlet它是鹦鹉科中较小的一种。激光被用来研究欧比是如何飞行的。

斯坦福大学(Stanford University)的前研究生埃里克·古铁雷斯(Eric Gutierrez)训练奥比穿越激光束。但首先,他得训练他戴上护目镜。这可不是一个小壮举:事实上,项目中的另外两只鹦鹉并不能很好地忍受这种眼镜。据古铁雷斯说,欧比因为戴上了护目镜而得到了款待,“他感觉非常舒服。”

奥比的护目镜。图片来源:斯坦福大学。

欧比的护目镜是为他定制的,因为市面上没有现成的鸟类护目镜可供选择,甚至亚马逊上也没有……我查了一下。从人体大小的激光防护镜上切下一小段聚碳酸酯镜片,制成鹦鹉大小的镜片。这些框架是用3d打印出来的,并用兽药胶带组装起来的。护目镜上也有标记,这样研究人员就可以计算出鸟的飞行速度。

激光背后的原因

现在说说那些激光……

斯坦福大学的一个团队与助理教授David Lentink合作,开始测试飞行力学方面的传统智慧。具体来说,他们设计了一个测试来观察飞行动物是如何产生升力的,因为目前的飞行尾流空气干扰模型主要基于固定翼飞机。

他们的研究结果发表在12月6日的《生物灵感和仿生学.古铁雷斯是这项研究的主要作者。

这些粒子从鸟的翅膀上旋转而下,形成了一个由立体声粒子图像测速仪(PIV)在1000赫兹下测量的空气运动记录。使用了7台运动捕捉摄像机、1台运动学摄像机和4台PIV摄像机。

这些图像让我们对飞行动物留下的尾迹有了新的认识。之前的测量,从动物的进一步,预测动物产生的涡旋保持相对冻结的时间,就像飞机尾迹之前消散。但这些测量结果显示,涡流的扩散速度要快得多。采用移动平均滤波器对涡旋轨迹进行平滑处理MATLAB

Lentink是这篇论文的资深作者,他说:“虽然涡旋破裂发生在飞机后面很远的地方,比如超过1000米的地方,但它也可能发生在离鸟非常近的地方,在两到三个翅膀拍击的范围内,而且更加猛烈。”

然后,该团队将他们的发现与基于三种常用模型的预测进行了比较,这三种模型被用于理解动物如何产生升力。他们发现,这三种模型对升力的预测都不准确。

“我们研究的目的是比较文献中非常常用的模型,以计算鸟类或其他飞行动物基于尾流产生的升力,”该研究的合著者戴安娜·陈(Diana Chin)说。“我们发现,我们尝试的三种模型都非常不准确,因为它们做出的假设不一定是正确的。”

欧比的飞行可以帮助改进机器人和无人机

几十年来,科学家们一直在研究鸟类的飞行。现在,他们正在利用这些信息来改善无人机和机器人的空气动力学。这项研究磨练了人们对动物飞行的理解。这也表明需要进行更多的研究。

Lentink说:“许多人通过观察动物飞行文献的结果来理解如何更好地设计机器人翅膀。”“现在,我们已经表明,人们使用的方程式并不像社区希望的那样可靠。我们需要新的研究,新的方法来更可靠地指导设计过程。”

下面是奥比的一段视频:

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