戴上護目鏡鸚鵡萌翻了！可這是要幹啥？

（井木犴/譯）護目鏡系牢，下頦帶扣緊。環境條件平穩，激光就緒；空氣中充滿了微小的氣溶膠顆粒，即使是極輕微的擾動，也會讓它們分散形成軌跡。萬事俱備，只等命令。

研究者一聲令下，小鳥起飛了！

帥氣的太平洋鸚哥帶著護目鏡飛行。圖片來源： Lentink Lab

這就是一隻名叫奧比（Obi）的太平洋鸚哥（Forpus coelestis）的日常。

研究生埃里克·古鐵雷斯（Eric Gutierrez）與斯坦福大學的機械工程師大衛·倫廷克（David Lentink）一起訓練了這個小傢伙——它屬於鸚鵡中體型第二小的物種——以精確測量其在飛行中產生的渦流。他們的研究結果[1]上周發表《生物靈感和仿生學》期刊（Bioinspiration and Biomimetics）上，該結果幫助解釋了動物如何在飛行中產生足夠的升力，對飛行機器人和無人機的設計也可能具有指導意義。

「我們的研究目的是對文獻中常用的幾種基於飛行尾跡來計算鳥類或者其他飛行動物產生的升力的模型進行比較。」 研究的共同作者、倫廷克課題組的研究生黛安娜·秦（Diana Chin）說。「我們發現我們所測試的三種模型都非常不準確，因為它們所做的假設並不一定正確。」

黛安娜和她的實驗「助手」——太平洋鸚哥。圖片來源： Kurt Hickman

科學家們建立這些模型來分析會飛的動物所產生的氣流，並依靠它們來弄清楚動物如何在飛行中支撐自身的體重。這些模型的計算結果常常會被仿生飛行機器人和無人機的研究所參考。仿生機器人正是倫廷克的專長——他的學生們製造出了第一台能夠像昆蟲一樣垂直起降的拍翅式機器人以及一台翅膀能在俯衝及滑翔過程中變形的雨燕型機器人。

鳥戴護目鏡，因為它要飛過激光

這項研究的第一作者古鐵雷斯之前也是倫廷克課題組研究生。他利用給人使用的激光護目鏡鏡片、3D列印的鏡框以及醫用膠帶給為太平洋鸚哥製作了符合它尺寸的護目鏡。護目鏡的一側還裝有反游標記，讓研究者們能夠追蹤小鳥的速度。之後，他訓練奧比戴著護目鏡在棲木間飛行。

實驗裝置示意圖。綠色部分為激光層，小鳥穿過激光層時，其中的氣溶膠微粒的運動軌跡會被記錄下來。圖片來源：參考文獻[1]

經過訓練後，這隻小鳥飛過了一片照亮無毒氣溶膠顆粒的激光層。當它飛過這片充滿顆粒的激光層時，它翅膀的運動攪動了顆粒，由飛行產生的渦旋詳細記錄下來。

在奧比的翅尖下打旋的那些顆粒，形成了迄今最清晰的飛行動物尾跡圖像。過去的測量常在動物翅膀撲棱幾次之後才進行，並預測由動物產生的渦流會像飛機的航跡雲一樣，相對穩定一段時間後才消散。但這項研究的測量結果揭示，鳥類產生的端部渦旋會戲劇性地突然解體。

在太平洋鸚哥飛行過程中攪動氣溶膠顆粒產生的渦旋。圖片來源：Lentink Lab

「飛行器產生的渦旋在其之後很遠——比如一千米開外——才會發生解體，而鳥類的渦旋解體則發生在非常貼近鳥身的位置，在撲棱翅膀兩到三次之內就會發生，解體也劇烈得多。」論文的主要作者倫廷克說。

當前流行的三種理論模型都並不準確

那些基於不準確的動物尾跡所建立的模型是否還有效，便成為了問題所在。

研究團隊將三種主流模型應用於他們實際記錄的測量結果，由此對奧比每一次撲棱翅膀所產生的升力大小都做出三個估算。然後他們再將三個計算出的結果與之前一項研究中測量出的實際升力大小進行了對比——在那項研究中，研究者採用的是倫廷克課題組發明的靈敏儀器。（倫廷克說，由於這個空氣動力學測力平台靈敏度太高，有次在測試原型機時只是在裡面充爆了個氣球就差點壞掉了。）

他們發現，三種模型都在不同程度上沒能準確預測太平洋鸚哥飛行時產生的實際升力。

需要新的模型

這項研究突出了要基於目前的動物飛行學知識研發機器人有多困難。三種模型之間的差異，加上之前的研究中所採用的動物的多樣性（包括其他的鳥類、蝙蝠以及昆蟲），使得文獻間的相互對照極其困難。現在可供選擇的模型表現已成問題，一種全新的模型或許才是答案。

「許多人會為了優化機器翼的設計而查閱動物飛行的相關文獻。」倫廷克說。「現在，我們證明了人們使用的公式並不如他們所期待的那麼可靠。為了真正給設計提供更加可靠的結果，我們需要新的研究和新的方法。」

倫廷克認為他的課題組正在研究的一種新技術——一種可以對力進行直接測量的技術——能與詳盡的氣流測量數據結合，從而能對動物飛行中的空氣動力學現象進行更好的分析與建模。

（編輯：Calo）