重大发现！仿生扑翼机破解飞行之谜：翅膀折叠和倾斜动作大大提升空气动力学效率！

作者：机器人大讲堂发布时间：2023-02-22 点击数：

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鸟：听说人类偷我的翅膀拿去研究无人机了！？科学家：你看清楚，这是个带羽毛的机器人机翼。 data-backh="240" data-backw="432" data-galleryid="" data

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鸟：听说人类偷我的翅膀拿去研究无人机了！？

科学家：你看清楚，这是个带羽毛的机器人机翼。

重大发现！仿生扑翼机破解飞行之谜：翅膀折叠和倾斜动作大大提升空气动力学效率！(图1)

这家伙看起来确实和鸟的翅膀一毛一样，甚至比鸟飞得更远！

重大发现！仿生扑翼机破解飞行之谜：翅膀折叠和倾斜动作大大提升空气动力学效率！(图2)

为了研究鸟类飞行时翅膀的空气动力学，瑞典隆德大学的科学家专门制作了它，并揭开了鸟类飞行的秘密，可以应用于未来更高效的飞行器的研发。

重大发现！仿生扑翼机破解飞行之谜：翅膀折叠和倾斜动作大大提升空气动力学效率！(图3)

也许不久之后，像电影《沙丘》中的那种仿生扑翼飞行器真的会走进现实。

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▍除了长羽毛，比其他扑翼机强在哪里？

也许有小伙伴想问，不是已经有很多可以拍打翅膀飞起来的无人机了吗？

确实，仿鸟扑翼机已经不稀奇了，这些仿生设备远远看过去和真鸟几乎没有区别。

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然而，鸟可以主动俯仰和折叠翅膀，但目前已有的扑翼机都简化了机翼的几何形状，只能在俯仰角和翅膀形状保持不变的情况下拍打或被动控制，大大降低了运动学能力。

扑翼飞行中复杂的运动学和空气动力学要求意味着许多悬而未决的问题仍然存在，鸟类飞行涉及的工程力学和空气动力学问题还没有被人类完全掌握。

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因此，瑞典隆德大学构建了这个机器人机翼，它配备天然羽毛，不仅能够独立和同时拍打、俯仰和折叠，还可以安装在不同行程平面角度的扑翼，模仿鸟在适应空气动力时的动作。

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机器人机翼主要由五个人造骨骼和模仿隐蔽羽毛的人造板制成，羽毛粘在骨骼上。整体通过一个差速齿轮传动装置、和用于机翼折叠的独立数字伺服电机驱动。这种驱动机制可以在机器人的规格范围内实现机翼拍打、俯仰和折叠的任意组合。

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▍重大发现：机翼折叠与行程倾斜可大大提升飞行能力

研发人员在风洞中对机器人机翼进行了飞行实验，来研究到底哪些因素会影响飞行性能。

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在正常的扑翼飞行中，鸟类在向上飞行时折叠翅膀，在向下飞行时展开翅膀，同时调整翅膀的俯仰角来控制空气动力。基于这个发现，研究人员设计了多种不同的机翼折叠策略，并测试每一种策略产生的推力/升力。

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结果表明，与在拍翅过程中展开翅膀相比，鸟类在向上击打时折叠翅膀不仅会产生更多推力，而且会产生更有效的力。这一结论对未来扑翼机的发展非常有用，如果能在扑翼无人机中引入向上冲程的机翼折叠，不仅能飞得更快更远，而且空气动力学效率也会大大增加。

除此之外，行程平面角度随着鸟类飞行速度变化，也会影响力的大小、方向和生成成本。研究人员的实验结论是：使用垂直冲程平面来响应高速推力相对较大的需求，并使用更倾斜冲程平面来适应低速时相对更多升力的需求。简而言之，就是根据所需飞行速度和高度不同，选择不同角度的行程平面。合适地改变行程角度有助于产生升力和推力、提高飞行效率，这对于保持高度和前进速度至关重要。

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这项研究发表在《Advanced Intelligent Systems》 (先进智能系统) 期刊中，标题为“Robotic Avian Wing Explains Aerodynamic Advantages of Wing Folding and Stroke Tilting in Flapping Flight”(机器人鸟翼解释了扑翼飞行中机翼折叠和行程倾斜的空气动力学优势)。