鸟类能教给我们关于飞行机器人的什么

模拟鸟类跳跃的物理原理正在帮助工程师制造更灵活的机器

澳洲斑 dove

ALAMY

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想象一下一只鸽子栖息在电话线上。准备起飞时,它抬起翅膀,跃入空中并飞走,也许打算在你的汽车挡风玻璃上留下它的“名片”。这一系列动作非常常见,你可能不会太在意。但曼彻斯特大学的生物力学工程师 Ben Parslew 却很在意。他正试图设计能像鸟类一样跳跃的机器人。

大多数传统机器人靠轮子滚动,限制了移动性。Parslew 说,我们需要更灵活的机器人,“可以在杂乱的环境中跳过障碍物或碎片”。为了设计这样的机器,他求助于自然界:“鸟类非常擅长跳跃,”他指出。

问题是,当鸟类开始起飞时,它们会向前倾斜得很厉害,根据物理定律,它们应该会翻倒并摔到喙上。然而,这种情况并没有发生。Parslew 和他的团队使用计算机建模来发现鸟类是如何避免这种命运的。他们发现,鸟类在加速跳跃时,会稍微向后旋转身体。它们还具有灵活的腿和脚趾关节,这可以防止它们短暂起飞后立即撞到地面。《皇家学会开放科学》杂志去年十月发表了这项研究结果。


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Parslew 认为工程师可以利用这些信息来设计不仅能跳跃良好,还能更有效率地起飞的机器人。大多数人造飞行器都需要长跑道(例如:飞机)或平坦、稳定的表面(例如:直升机或无人机)才能起飞。无论哪种方式,它们都需要一段时间才能克服重力并升高。

南加州大学的生物力学家 Michael Habib 没有参与这项研究,他说弹簧和杠杆比轮轴能实现更快的加速。许多动物都是弹簧和杠杆的大师。“一只家猫在起跑线上就能击败兰博基尼 Diablo 前 100 英尺,”他说。当汽车必须加速时,猫科动物会把自己弹射出去奔跑。同样的原理也适用于鸟类如何开始飞行。

“如果你能理解这是如何运作的,”Habib 补充说,“你就可以制造出一种擅长奔跑和飞行的机器人,而且它还擅长在各种条件下突然起飞并在极小的空间内着陆。” Parslew 现在正在设计这样一种机器人,作为轮式探测器探索其他行星的替代品。

Jason G. Goldman 是一位常驻洛杉矶的科学记者。他曾为大众科学、《洛杉矶》杂志、《华盛顿邮报》、《卫报》、BBC、《Conservation》杂志和其他刊物撰写关于动物行为、野生动物生物学、保护和生态学的文章。他为大众科学的“60 秒科学”播客供稿,并且是《Science Blogging: The Essential Guide》(耶鲁大学出版社)的共同编辑。他喜欢在电视和广播中分享他的野生动物知识,并经常向公众谈论野生动物和科学传播。

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大众科学 Magazine Vol 320 Issue 2本文最初以 “Hop to It” 为标题发表于《大众科学》杂志 第 320 卷第 2 期(),第 16 页
doi:10.1038/scientificamerican0219-16b
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