飛機設計中用到哪些仿生學原理？

天鵝絨、鯊魚皮與飛機在空氣動力學設計上的創新有何相干？在航空學領域，越來越多的新想法都來源於自然界中各種各樣的結構、器官和材料。在未來，這些在大自然中經過無數次嘗試與檢驗洗禮的設計仍將成為激發我們創意的巨大源泉。

天鵝絨、鯊魚皮與飛機在空氣動力學設計上的創新有何相干？有一個專門的學科可以給你答案。此學科致力於從大自然中汲取靈感並效法自然。它就是「仿生學」。其設計靈感皆源於自然。仿生學家通過研究和模仿自然界中最優秀的創意來解決人類遇到的種種問題。在航空學領域，越來越多的新想法都來源於自然界中各種各樣的結構、器官和材料。在未來，這些在大自然中經過無數次嘗試與檢驗洗禮的設計仍將成為激發我們創意的巨大源泉。

【荷花效應】

在現在的進化階段，荷葉表面的角質可以使其表面的雨水滾落並帶走污濁以保持自身的清潔與乾燥。這就是「荷花效應(the Lotus Effect)」。荷葉的這種特性激發了人們在機艙設備塗層設計上的靈感。這種塗層可以使水分以滾珠的形式流走並同時去除污物。這樣就提高了飛機的清潔度，同時還能省水，減重，降耗並減少碳排放。此靈感已經在空客飛機上的衛生間得到了應用。在未來，座位和地毯的材料也很可能被這樣設計。

【可移動的機翼表面】

海鳥可以通過喙部察覺出空氣中的陣風荷載量(Gust Load)，並通過調節翅膀的形狀抑制升力。新型的空客A350XWB在機頭的探測器就可以檢測風力並利用其可移動的機翼表面提高飛行效率。此設計可以進一步節能減排。

【來自老鷹的翼尖帆設計靈感】

對於像草原雕這樣的大型鳥類，如果其翅膀過長，轉向時的半徑就會過大，從而使其在飛翔時無法利用熱空氣柱上升。實際上，鷹的翅膀完美地結合了最大的升力和最小的翅膀長度。它們會將翅尖羽毛向上捲曲，從而形成近乎90°的夾角。這能減小空氣中的漩渦，提高飛行效率。若按傳統方法設計，A380的翼幅將比國標機場可容納的距離大出3米。不過，多虧了「翼尖帆(Winglet)[1]」——這種小巧的設計模仿了鷹類向上捲曲的羽毛，A380的翼幅比國標機場限值還少20厘米，卻可以為世界上最大的客機提供足夠的升力和飛行效率（節能、減排並減少機場擁堵現象）。

【貓頭鷹的靜音飛翔】

經歷了2000萬年的進化，如今，貓頭鷹已擁有鋸齒狀的翅羽以及絨毛狀的腿部羽毛。這可以幫助它們最大限度地減少氣動雜訊。儘管相比於40年前的飛機，現代飛機的雜訊已經降低了75%，空客工程師仍希望通過進一步的研究，揭示貓頭鷹靜音飛翔的奧秘。新的創意包括：模仿貓頭鷹羽毛後緣的可伸縮式刷子邊緣及天鵝絨般的起落架塗層。

【仿生學應用】

自然界的許多生物，如：蜜蜂、蝴蝶，都擁有應對多種環境的輕型、適應性強的骨架。因此，空客希望將「仿生學結構」應用到未來的飛機結構設計中。如果氣動表面可以變得更輕並更能適應各種環境，那麼，飛機即可減重、減排。空客工程師還在探索新的製造工藝並希望將這種「仿生學骨架」應用到未來飛機結構中，使其更輕、更具機動性。

【「溝狀」鯊魚皮】

鯊魚皮表面充滿了微小的溝槽結構。科學家發現這種結構可以減少鯊魚在水中的阻力，並有利於其在捕食時保持體力。在過去30年中，航空工程師一直對「鯊魚皮」（Groovy Skin or Riblet, 術語稱「溝槽結構」）進行研究和實驗。這項研究最終將被應用到空客飛機的製造中。正如「鯊魚皮」結構能使運動中的鯊魚減少能量消耗，這些微小的溝槽也將幫助噴氣式飛機降耗。

【蝴蝶的翅膀】

蝴蝶和一些昆蟲可謂是地球上最精美的生物了。但其華麗的外表也掩飾了其複雜精細的翅膀結構。這些翅膀可是它們高效飛行的利器。它們柔軟的外膜和血管（微毛細血管）時緊時松，使其能在任何飛行階段都收放自如。同樣，空客工程師已研發出可以在飛行中自動翻轉的機翼。但如果可以控制其轉動，那麼飛行效率將得到提高，能耗也會降低。目前，工程師們正在研究是否能夠效仿蝴蝶的微毛細血管翅膀結構，在機翼設計中採用小型可移動表面及靈活的內部組件，從而提高飛行效率。

【列陣飛行】

在自然界中，大型鳥類有時會集體飛行以節省能量並增加飛行距離。列陣飛行時（就像遷徙時的鵝或鴨那樣），領頭鳥的翅膀會產生漩渦狀氣流，其後的鳥就會因此得到額外的升力，也就是說會省力。機翼也可以有同樣的效果，我們稱之為「尾渦」(Trailing Vortex)。軍用飛機經常利用列陣飛行減少能耗（燃油量）。目前，客運噴氣式飛機出於安全考慮，還沒有使用這種方法。不過，空客正與其合作夥伴研究在長途飛行中節能減排的方法。

感謝Wildscreen ARKive[2]項目團隊的仿生學蝴蝶標誌。

譯註：

[1]翼尖小翼（winglet或wingtip），又稱作翼梢小翼、翼尖帆或翼端帆，通常用於提高固定翼航空器機翼的效率，也可用來改善航空器的操縱特性。

[2]Wildscreen是一個致力於通過極具視覺衝擊力的生物圖片鼓勵人們關注自然和生物多樣性的慈善組織。ARKive是其最核心的項目之一。此項目旨在組建野生物種圖片的電子圖書館，尤其針對瀕危物種，為後代保留珍貴影像。ARKive彙集了全球頂尖野生動植物攝影家和7500多家網路資料提供方。其資料向公眾免費開放。

（編譯：princeegypt；via airbus）

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