哪种形状的翅膀速度最快?

作者:晴空飞燕/编译来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-05-30

泪滴形的翅膀无论是在扑翼飞行时,还是在游泳时都是速度最快的。 

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一直以来,人类都从鸟类的翅膀上获得了灵感,想借此设计出机械翅膀。现在,一个由数学家组成的团队将有关翅膀的仿生学研究推向了一个新高度。他们通过3D打印技术制造出形状各异的翅膀,并在实验室中比较各类翅膀的速度,采集相关数据,最后将数据输入算法,借此来推动机械翅膀的进化。 研究人员发现,泪滴形的翅膀无论是在扑翼飞行时,还是在游泳时都是速度最快的。 

来自纽约大学库朗数学学院的数学家,同时也是新论文资深作者的Leif Ristroph 表示:“这是人类第一次为了实现快速飞行寻找合适的翅膀形状。”

根据Ristroph 的说法,众多因素导致泪滴形翅膀的速度比其它翅膀更快。首先,如果从侧面观察,这种翅膀前后不对称。翅膀的头部呈圆形,最厚重的部分前置,而拖尾则细长而苗条。翅膀极薄的背部边缘和鸟的翅膀相似,通常只有一根羽毛那么宽。研究表明,鸟类的翅膀在进化中已经变得尽可能纤薄。相关论文已经发表在今年一月的《皇家学会学报》上。 

Ristroph和同事们利用3D打印技术制作了十个第一代塑料翅膀,并且在翅膀上安装了由电机驱动的水平杆,使它们能在水中上下翻动。研究人员会测量翅膀在游泳时的速度,并据此推断其飞行速度。Ristroph表示,相关人员对不同形状的翅膀进行了测试,接受测试的包括基于传统机翼而设计的翅膀、扁平球体状的翅膀和花生状的翅膀。 

研究人员将翅膀的速度数据输入进化算法,算法产生了八个第二代“子翼”。速度快的翅膀更有可能入选第二代,但算法也允许能产出新形状的“变异”型翅膀入选。此外,第一代翅膀中速度最快的两个也入选了第二代名单。接着,像对第一代翅膀所做的那样,科学家对第二代的十个翅膀也进行了3D打印和实验室速度竞赛。以此类推,研究人员总共创造了15代翅膀。 速度最快的泪滴形翅膀在第十一代才出现,并在此后一直保持着这一记录。为了进一步提高速度,算法尝试在后续几代的开发中继续完善泪滴形翅膀的形状,然而,产出的翅膀实在太薄了,不适合3D打印。 

虽然并未参加相关研究,南加州大学的航空工程师Geoffrey Spedding 还是认为这项研究非常有趣。他认为速度最快的翅膀更像是鱼鳍,这使它更适合用于游泳和推进物体,而不是像飞机一样产生升力。 


蝌蚪五线谱编译自scientificamerican,译者 晴空飞燕,转载须授权

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