研究人员利用仿生学提高无人飞行器性能

研究人员利用仿生学提高无人飞行器性能

瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员通过模仿蝙蝠的膜翼结构，设计出一种能够提高升力和飞行效率的柔性翅膀。这一创新不仅有望为无人机带来更高效的飞行性能，还可能在能源收集技术领域开辟新的应用前景。

研究者盖尔克手中的仿蝙蝠膜翼可用于改善无人机飞行性能。瑞士洛桑联邦理工学院的研究人员设计出一种灵活的蝙蝠状翅膀，可以提高升力，改善飞行性能。这项创新可能会带来更高效的无人机或能量收集技术。

1934年，法国昆虫学家安托万·马格南（Antoine Magnan）写道，大黄蜂“应该不会飞”，因为它们的小翅膀理论上无法产生足够的升力。现代高速摄像技术揭开了昆虫空中飞行的秘密：前缘漩涡。当气流围绕拍打翅膀的前缘（即前部）卷起漩涡时，就会产生这种现象，形成一个低压区域，从而增强升力。

蝙蝠拥有灵活的薄膜翅膀，能够像昆虫一样飞行，甚至效率更高。事实上，一些蝙蝠的能量消耗比体型相似的飞蛾少40%。洛桑联邦理工学院工程学院非稳态流诊断实验室的研究人员利用一个由硅基聚合物制成的高变形膜实验平台，着手研究更灵活翅膀的空气动力学。

他们发现，空气在弯曲的机翼上流动时不会产生漩涡，而是非常流畅，从而产生更大的升力，使其比相同大小的刚性机翼更加高效。“这项工作的主要发现是，我们所看到的升力增益并非来自前缘涡流，而是来自顺着膜翼平滑弧度流动的气流，”该项目的研究者亚历山大·盖尔克（Alexander Gehrke）说，“膜翼不仅要弯曲，而且要弯曲得恰到好处，因为过于柔韧的膜翼性能又会变差。”

盖尔克是这项工作的论文的第一作者，该论文已发表在《美国国家科学院院刊》上。研究人员将柔性膜安装在一个刚性框架上，框架边缘可绕轴旋转。为了帮助观察机翼周围的气流，他们将设备浸入混有聚苯乙烯示踪粒子的水中。非稳态流诊断实验室负责人表示，实验能够间接改变机翼的前后角度，从而观察它们如何与气流保持一致，由于薄膜的变形，气流并没有被迫卷成涡流。相反，气流顺着机翼的弧度自然地流动，没有分离，从而产生了更大的升力。

盖尔克说，研究小组的成果为生物学家和工程师提供了重要的启示。“我们知道蝙蝠会盘旋，而且它们有可变形的膜翼。翅膀变形如何影响盘旋性能是一个重要问题，但在活体动物身上做实验并非易事。通过使用简化的生物启发实验，我们可以了解自然界的飞行器，以及如何制造更高效的航空飞行器。”

他进一步解释说，与飞机等大型飞行器相比，随着无人机体积越来越小，它们受到微小气动扰动和不稳定阵风的影响也越来越大。标准的四旋翼无人机在非常小的干扰下就会停止工作，因此一种解决方案可能是利用与动物相同的拍翼运动来制造这些飞行器的改进版，它们可以悬停并更有效地携带有效载荷。

该团队的研究成果还可用于升级现有的能源技术，如风力涡轮机，或将新兴系统商业化，如被动利用洋流能量的潮汐发电机。传感器和控制技术的进步有可能与人工智能相结合，从而实现调节柔性膜翼变形所需的精确控制，并使这种飞行器的性能适应不同的天气条件或飞行任务。