用高速摄像机和风洞解码蝴蝶飞行
流体动力学有助于解释蝴蝶为什么会颤动
在一个炎热的夏日，隆德大学生物学家克里斯托弗·约翰逊和佩尔·亨宁森在瑞典学校野外站附近的草地上涉水穿过草地上的草和野花。他们安静而从容地朝着一只哈密瓜色昆虫的短暂扇动走去，准备用一个柔软的织物网把它收集起来。
对约翰逊和亨宁森来说，捕捉镀银的贝母蝴蝶不仅仅是他们夏天的爱好。他们使用慢动作相机和高速流量测量来确定是什么给了这些蝴蝶独特的飞行模式。这一发现不仅有助于科学家更好地了解这种昆虫的生活，还有助于为下一代无人机的设计提供信息。
确定是什么赋予了这些蝴蝶独特的飞行模式，也有助于为下一代无人机的设计提供信息。
约翰逊说，这是一项并不容易的工作，她回忆起在草地上狩猎时的酷热，或者在实验风洞中疯狂地寻找标本，但这总是很有趣。
“我们通常大部分时间都在实验室里，”约翰逊说。“在这种情况下，我们实际上花了几天时间在草地上捕捉蝴蝶……但我想说，最有趣也是最令人沮丧的部分是在风洞里进行实际实验的时候。”即使我们把蝴蝶放在一个特定的地方，但一旦它起飞，它就能迅速在隧道里移动并消失，直到在研究人员的头顶上重新出现。”
君主之谜
蝴蝶不仅能在短时间内从一朵花飞到另一朵花，还能进行长距离的持续迁徙飞行。例如，帝王蝶从美国到墨西哥的单程迁徙距离超过4800公里(3000英里)。
约翰逊说，这并不是蝴蝶飞行不寻常的唯一原因。它们的身体尺寸与翅膀的比例也与其他昆虫不同，它们的身体很小，翅膀却异常大。
Johansson和他的同事希望提供新的数据来帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，研究人员已经努力理解了近50年。
“与其他会飞的动物相比，蝴蝶是极端的，”约翰逊说。“它们的翅膀载荷很低，翅膀的展弦比也很低，这意味着与其他飞行动物相比，它们的翅膀基本上又大又短又宽。”
蝶式起飞，下冲程用来支撑重量，上冲程用来产生推力。万博1manbetx(图片来源:L. C.约翰逊和P.亨宁森)
在20世纪70年代，科学家们推测，蝴蝶可能是在向上拍动翅膀时产生一股气流来推动它们前进，从而实现了这种多功能飞行。然而，近50年来，研究人员一直在努力证实这一机制，因为与实验室条件下的系绳飞行相比，量化自由飞行活动说起来容易做起来难。在他们的研究中，Johansson和Henningsson提供了新的数据来帮助回答蝴蝶飞行力学的问题，并了解如何将其用于其他应用。
约翰松说:“通常很难想象基础研究最终会被用于什么，但在这种情况下，无人机有直接的应用。”“有今天的无人机飞行利用拍击机制来产生力量。对他们来说，研究这种蝴蝶机制来提高无人机机翼的灵活性，并最大限度地提高拍击的效率和力量，可能会很有趣。”
捕捉蝴蝶飞行
该研究小组将6只镀银的贝母蝴蝶引入隆德大学的循环风洞，用蜂蜜水喂食器引诱昆虫起飞。这个风洞是独一无二的。它最初是为了研究鸟类飞行而建造的。隧道里的一个大风扇以每秒2米(4.5英里/小时)的速度循环空气，以防止蝴蝶太容易从团队的测量装置中飞走。
研究小组用四台高速摄像机记录蝴蝶引起的空气运动，另外两台摄像机捕捉蝴蝶的运动。这种被称为层析粒子图像测速的流量测量技术，使研究人员能够创建流体流动的3D模型;然后研究小组可以研究气动力，以了解蝴蝶翅膀是如何推动它们飞行的。在这项研究中，重点是蝴蝶拍翅膀时产生的气流。
只有约1微米大小的微小气溶胶颗粒悬浮在风洞中。当蝴蝶在激光照射的薄片前飞过这些粒子时，高速摄像机捕捉到了它们的运动。研究小组总共捕捉到了25个序列，每个序列都有1到3次翅膀拍打。
约翰松表示，该团队使用了MATLAB®用于数据分析，包括使用他设计的矢量分析的用户界面，以研究蝴蝶飞行的流体动力学。
约翰松说:“我们的研究领域在技术和数值上都有很高的要求，没有一种软件可以以我们想要的方式进行所有的分析。”“因此，我们需要自己编写大部分代码。”
“到目前为止，MATLAB是我们这个项目中最有用的工具。”
隆德大学的生物学家Christoffer Johansson说
蝴蝶在大约2毫秒的飞行速度上拍击时产生的推力－1．(图片来源:L. C.约翰逊和P.亨宁森)
MathWorks的教育客户成功工程师萨加尔·扎德(Sagar Zade)说:“我们用MATLAB来可视化流程，并绘制实验结果。”
Johansson和Henningsson还使用MATLAB计算了气动力，确定了拍板的气动功率，并使用蒙特卡罗模拟估计了背景功率。
Zade补充说:“这些实验发现的结果对于未来想要使用MATLAB来使用复杂的Navier Stokes方程对流体动力学进行数值模拟的研究人员来说是非常有价值的。”
除了测量蝴蝶飞行产生的射流外，研究小组还分析了它们翅膀的形态如何在向上的笔触中形成一个杯状，以改善射流。他们利用这些数据创建了机械蝴蝶翅膀，以隔离柔性翅膀和杯状形状对拍手性能的影响。
约翰松说，这些机械翅膀是简单的直角三角形，由巴尔杉木和乳胶膜制成，由伺服引擎和Arduino控制®董事会。机翼一侧的铰链使它们能够旋转和拍击在一起。柔性薄膜在敲击过程中会形成杯状，而坚硬的轻木则不会，这样就可以对性能进行比较，并单独研究杯状形状的影响。约翰松说，通过生物学家在隧道中的工作和在实验室中对机械翅膀的工作，他们对蝴蝶飞行的动力学以及如何再现蝴蝶飞行有了一些关键的见解。他说，其中一个发现是，在淋雨过程中，柔性膜翼在冲量和效率方面比轻脂翼高出25%。他们还确定，蝴蝶在飞行中向上和向下划水有两个独特的目的。
“向下划水产生垂直力，而向上划水和拍手产生推力，”约翰逊说。“与大多数飞行一样，垂直力占主导地位。在这种特殊情况下，垂直力是推力的9.4倍。”
柔性机翼提高了拍击力和拍击效率。(图片来源:L. C.约翰逊和P.亨宁森)
该团队的完整研究发表在《科学》杂志上美国科学院学报英国皇家学会接口．
由于约翰逊和亨宁森没有接受过MATLAB方面的正式培训，约翰逊表示，该软件的可访问性、灵活性和易用性是这项工作的巨大资产。
“到目前为止，MATLAB是我们在这个项目中最有用的工具，”约翰逊说。
除了蝴蝶
在成功地使用这种方法捕捉蝴蝶飞行后，约翰逊有兴趣看看它如何更普遍地应用于其他生物的飞行模型，从鸟类和蝙蝠到微观生物。
大自然完善飞行的历史比人类悠久得多。通过研究这些生物实现这一目标的无数种方式，工程师们可以建造更高效、更动态的飞行——甚至游泳——无人机。这些无人机有一天可能会把食品杂货送到你的家门口，或者探测深海来研究海洋生物。
约翰逊说:“有人认为蝴蝶会利用书中所有的技巧来飞行。”“还有很多研究要做，以弄清楚这是否属实，以及不同的条件如何影响这些机制。”
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