前瞻经济学人 看懂未来新十年

打开APP

原来蜻蜓才是真正的飞行高手!即使丧失意识,也会在空中做“倒空翻”来保持平衡

高分子科学前沿

翻译|小致  来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

如果你仔细观察会发现,蜻蜓可以经常进行不可预知的飞行——这也是它们为什么吸引人的原因。它们会在空中稍作停留,然后每隔一段时间就迅速地急转弯,很少会停留在相机前让你思考。

蜻蜓能很容易地调整它的飞行轨迹或在飞行中急转弯,是因为它们的四翼中的每一翼都由单独的肌肉控制,从而可以非常精确地控制飞行。

飞机的机翼总是以一定的角度定向,但是蜻蜓却能自由地转动翅膀。2014年康奈尔大学的研究显示,蜻蜓能独立调节每只翅膀的冲程平面方向。通过调节翅膀的方向,蜻蜓可以改变作用于每个翅膀上的气动特性。

但是,跟任何能飞的动物一样,他们也会失去平衡,甚至倒挂起来。关于蜻蜓如何控制飞翔,有很多不同的变量,这是一个极其复杂的任务。

2

蜻蜓飞行时的轨迹拼贴画。黄色箭头代表主体的方向,而翅膀上的圆圈是覆盖在图像顶部的跟踪点。

许多陆地动物(如猫)和空中动物(如飞禽)在跌落时,会绕着一个从头到尾的轴旋转(称为“滚动”),但我们对大多数昆虫是如何从极端的方向调整自己的知之甚少。

近期,发表在《皇家学会学报B》上的一项新研究中,伦敦帝国理工学院的研究人员发现,与迄今记录的许多动物不同,蜻蜓经常做倒立后空翻,以使它们从空中的倒立姿势中直立起来。

他们还发现蜻蜓在昏迷状态下仍然会执行相同的“扶正”动作,这表明该响应在很大程度上具有被动稳定性。这种飞行机制类似于飞机在发动机关闭时自动滑行的飞行机制。他们的研究揭示了蜻蜓翅膀的形状和关节刚度是提供被动稳定性的关键,由此可以为小型无人机的设计提供重要依据。

帝国理工学院生物工程系的资深作者Huai-Ti Lin博士说:“工程师们乐于从会飞的动物身上获取灵感以改进飞行系统。无人机往往严重依赖快速反馈来保持直立和航向,但我们的发现可以帮助工程师将被动稳定机制纳入小型无人机的机翼结构。”

为了进行这项研究,他们给20只普通的蜻蜓戴上了微型磁铁和运动追踪器,用于生成CGI(电脑三维动画)图像。

然后,他们用磁铁将每只蜻蜓固定在一个磁性平台上,可以是直立的,也可以是倒立的,但倾斜程度会有所不同,然后让蜻蜓自由落体。运动跟踪点提供了蜻蜓运动的三维模型,这些模型用高速摄像机捕捉,从而实现运动过程的3D重建。

3

蜻蜓

他们发现,当从倒立的状态掉下来时,有意识的蜻蜓,会向后翻一个跟斗,重新恢复到直立的位置。即使是无意识的蜻蜓也能完成翻跟斗,但速度要慢一些。而死亡的蜻蜓则根本不会执行这个动作。

有趣的是,当研究人员将它们(已死亡的蜻蜓)的翅膀摆成特定的姿势(与活的或无意识的蜻蜓一样)时,它们又重新能完成这个恢复动作——尽管与活的蜻蜓相比,它们绕轴旋转幅度要大一些。

研究人员说,这表明该动作既依赖于肌肉张力,也依赖于翅膀的姿态,它是蜻蜓身体构造内在的被动反应,而不完全是主动控制。

这项研究的主要作者、生物工程系的萨姆·法比安(Sam Fabian)博士说:“飞机的设计通常是这样的:如果引擎发生故障,它们可以平稳地滑翔,而不是迅速从空中坠落。”他们在蜻蜓身上也看到了类似的响应,尽管它们没有主动拍动翅膀。这意味着一些昆虫,尽管它们的体型很小,但可以有效利用被动的稳定性,而不需要过多的主动控制。

“被动稳定性大幅降低了飞行所需的努力,这一特性很可能影响到蜻蜓形状的进化。”利用被动稳定性,飞行的蜻蜓可能会更有优势,因为它们消耗的能量更少,能够更好地从不利的状态中恢复过来。”

原文:

https://phys.org/news/2021-02-dragonflies-upside-backflips.html

https://phys.org/news/2014-11-secret-dragonflies-flight.html

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


阅读全文
打开APP,享受沉浸式阅读体验

提问研究员

一键提问研究员,零距离互动交流

我要提问
1

App数据库能为你做什么?

看看用户怎么说

2

App问答能为你做什么?

看看用户怎么说

3

App报告能为你做什么?

看看用户怎么说

4

App文章能为你做什么?

看看用户怎么说

相关阅读