未来是机器人的时代

苍蝇是天生空气动力学家

    据报道,这种高度自动化的“苍蝇机器人”以电池驱动,能在地形狭窄而又复杂的空间内自由飞行,比如建筑物、楼道、隧道以及洞穴等。别看“苍蝇机器人”体积小巧,用途却十分广泛,比如在茂密的山区搜捕隐藏的恐怖分子;在废墟成片的地震灾区搜救幸存人员;在有毒化学品密布的工厂检查生产管道、在人迹罕至的矿区寻找矿脉等。

    罗伯特伍德和他的同事有个特别做法,就是让急救人员将数千回形针大小的飞行机器人分散到整个灾区。 小小的机器会侦测生命迹象的,也许是发觉到幸存者呼出的二氧化碳,或者是侦测他们体温。虽然有一些苍蝇可能撞碎窗口的玻璃或陷入死角,但是其他的则可以从裂缝和下塌横梁逃出。 也许只有三个一群,但是使用自己的方式寻找幸存者,每当找到时,他们便原地等待并使用其剩余的能源向营救人员传递他们的调查结果。他们使用无线电转换成低窄带频,接着便传递给事先在周围布好的接收网。所以即使99%的机器蝇本身找不到了,搜索任务仍是成功的。

    设计一个昆虫机器人比做一个飞机模型可要复杂的多,不过,由于空气动力学的原因,昆虫的模型也不一样。在1999年,迈克尔迪金森(Michael Dickinson,加利福尼亚大学伯克利分校的一名生物学家,现于加州理工学院)以一个25厘米大小的仿苍蝇翅膀,通过为其浸没矿物油来模拟空气粘度的实验,首次证实了在不同模式的气流中昆虫飞行的基本空气学原理。结果表明,昆虫是使用三种不同的翼运动来创造并控制空气旋涡需要产生上升力。

    利用迈克尔迪金森的模式分析结果,罗伯特伍德和其他人在Fearing的实验室里开始模仿制作昆虫那令人难以置信的翅膀运动。其中一部分挑战来自于许多有助于苍蝇飞行的系统,包括眼睛(特别是协调其感知运动)和能够产生非定常空气动力来驱动机翼的强大有力的肌肉。许多昆虫通过调整自身双翼的振幅,飞行角度和腹部的收缩来控制他们的翅膀。苍蝇更是具有叫作衡棒的(Haltere)特殊感知器官,在飞行时能够感知身体的旋转。这个特性是它能够在空中盘旋,飞上飞下,附着墙壁甚至天花板的关键所在。

    苍蝇以其惊人的机动性和通过复杂的往往超过100赫兹的三维轨迹频率移动其翅膀。上冲和下冲模式在其盘旋时几乎是对称的,但是在起飞或者前行时却是及其不对称的。苍蝇通过使用间接的飞行肌肉来产生巨大的振幅和高频的振翅。这样说是因为他们改变其部分胸膛,而不是改变自身的翅膀。在苍蝇的身体上产生共振机制。较小的肌肉则直接连接到翅膀神经上以便协调翅膀的运动。

 

   由于体型小,苍蝇周围气流的粘性比鸟类或者机翼固定的飞机更大。对昆虫来说飞行就像是踩水一样。苍蝇翅膀运动产生的空气动力可以在千分之一秒内改变激烈程度。相反,传统的机翼却受制于平稳的气体流动。正是因为这个差异,预测飞机性能的分析工具对于动态飞行昆虫效果甚微,这也使得罗伯特伍德和他的同事的工作愈发的困难重重。


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