鸟类飞行奥秘揭秘：鸽子翅膀运动与空气动力学的深度解析

为探究鸟类翅膀运动及空气动力学机制，研究人员以鸽子为对象，揭示不同飞行阶段特性，助力 FWAVs 发展。

　　

鸟类飞行研究：解锁翅膀运动与空气动力学的奥秘

在大自然的广袤天空中，鸟类以其卓越非凡的飞行能力吸引着无数人的目光。它们能在瞬间从地面起飞，在空中灵活自如地穿梭、转向，最后精准地降落在目标地点。这种令人惊叹的飞行本领背后，是鸟类在不同飞行阶段对翅膀的巧妙变形控制。然而，尽管鸟类飞行现象常见，其飞行机制却充满谜团。一方面，由于缺乏翅膀自由变形的实验数据，想要深入了解鸟类飞行时翅膀的复杂变化困难重重。另一方面，空气动力学研究中翅膀耦合运动极为复杂，使得在探索鸟类飞行各阶段翅膀的运动学变化和空气动力学机制时，面临诸多挑战。这些问题严重阻碍了人们对鸟类飞行的深入理解，也限制了相关仿生技术的发展。

为了攻克这些难题，来自未知研究机构的科研人员开展了一项针对鸽子飞行的深入研究。鸽子凭借出色的飞行性能、复杂多样的翅膀运动以及悠久的驯化历史，成为了理想的研究对象。该研究成果发表在《Cyborg and Bionic Systems》上，为揭开鸟类飞行的神秘面纱提供了关键线索，也为生物启发的扑翼飞行器（FWAVs）的发展指明了方向。

在研究过程中，科研人员运用了多种先进技术。首先是运动捕捉技术，在一个 16m×5m×3m 的室内无干扰空间中，布置 30 台 Optitrack Prime13 运动捕捉相机，以 240Hz 的采样频率，精准收集鸽子自由飞行全过程的翅膀运动数据。同时，利用计算机断层扫描（CT）确定鸽子骨骼点位置，在鸽子身体和翅膀关键部位放置不同规格的反光标记，确保能精确捕捉翅膀运动。其次，构建鸽子翅膀模型，简化翼型数据，仅选取解剖腕关节、翼根和翼尖附近的翼型构建模型。最后，运用计算流体动力学（CFD）方法，通过定义翅膀的耦合运动，模拟鸽子在起飞、平飞和降落阶段的飞行情况，分析气动力和流场结构。

在翅膀运动学参数分析方面，研究人员将鸽子翅膀运动解耦为拍打（flap）、扭转（twist）、后掠（sweep）、折叠（fold）和弯曲（bend）5 个运动学参数。通过对这些参数的分析发现，不同飞行阶段各参数变化差异显著。起飞阶段，下拍角度较小，但上拍最大角度更大，扭转角度在该阶段较小，后掠角度缓慢增加；平飞和降落阶段，扭转角度变化更明显，后掠角度在平飞时稳定，降落时变化显著。折叠角度在平飞和降落阶段相似且变化平稳，起飞阶段则在上下拍初期有明显变化。弯曲角度与拍打角度类似，起飞阶段变化幅度与其他阶段差异明显。同时，起飞阶段鸽子速度逐渐增加，平飞时速度稳定且较高，降落时速度逐渐降低。

空气动力学分析表明，不同飞行阶段的升力和阻力系数差异显著。起飞阶段，升力系数显著高于其他阶段，在 0.4T 出现负升力峰值，之后迅速增加，0.9T 达到峰值后下降，这表明起飞时鸽子需消耗大量能量克服重力，飞行状态不稳定。该阶段阻力系数较低，在 0.3T 达到峰值但变化幅度小，鸽子通过产生负升力辅助起飞，随后增加升力、降低阻力以实现向前飞行。平飞阶段，升力系数变化平稳，在 - 0.5 到 0.5 之间波动，表明翅膀拍打能产生足够升力维持飞行速度和平衡；阻力系数在飞行周期内变化显著，早期下拍时增加，随后在部分阶段稳定后下降，鸽子需合理控制阻力维持飞行速度。降落阶段，升力系数在 - 0.25 到 0.25 之间稳定变化，表明飞行状态稳定；阻力系数在 0 到 0.4T 迅速增加，随后下降并稳定，鸽子通过减小升力、增加阻力控制下降速度，实现平稳降落。

研究人员还对鸽子飞行时的流场结构进行了观察和分析。通过可视化涡结构和研究压力分布及展向涡度，发现不同飞行阶段流场结构存在明显差异。起飞阶段，翅膀运动使前缘涡（LEV）较早附着，产生升力，同时形成翼尖涡（WTV）等多种涡结构，这些涡的形成、移动和脱落影响升力和阻力变化。平飞阶段，翅膀变形产生不同涡结构，如臂翼涡（AMV）等，它们相互作用，有助于产生飞行推力，维持飞行平衡。降落阶段，翅膀角度变化导致涡结构变化，如扭转角度变化使 LEV 移动，AMV 形成和脱落，影响升力和阻力，鸽子通过调整这些变化实现稳定降落。

综合研究结果和讨论可知，鸟类在不同飞行阶段通过灵活改变翅膀形态，实现了卓越的飞行性能。该研究首次利用生物数据对鸟类飞行全阶段进行 CFD 耦合运动分析，深入揭示了中型鸟类不同飞行阶段的空气动力学特性。研究成果不仅增进了人们对自然飞行者飞行过程中耦合运动的理解，也为生物启发的 FWAVs 设计提供了重要的理论指导和灵感。例如，在设计多自由度翅膀构型时，可参考鸟类翅膀运动模式；在制定控制策略时，可借鉴鸟类起飞和降落阶段的翅膀变形方式；在完善机器人模型和强化学习飞行数据集方面，该研究的空气动力学机制研究也能提供有力支持。然而，目前研究将翅膀视为刚体，未考虑羽毛变形等因素，未来研究可纳入流固耦合的考量。同时，现有 FWAVs 翅膀运动模式单一，难以实现鸟类般复杂的耦合运动，后续研究可聚焦于解耦这些运动，深入探究各参数的单独作用及耦合效果。