未來是機(jī)器人的時(shí)代

蒼蠅是天生空氣動(dòng)力學(xué)家

? ? 據(jù)報(bào)道,這種高度自動(dòng)化的“蒼蠅機(jī)器人”以電池驅(qū)動(dòng),能在地形狹窄而又復(fù)雜的空間內(nèi)自由飛行,比如建筑物、樓道、隧道以及洞穴等。別看“蒼蠅機(jī)器人”體積小巧,用途卻十分廣泛,比如在茂密的山區(qū)搜捕隱藏的恐怖分子;在廢墟成片的地震災(zāi)區(qū)搜救幸存人員;在有毒化學(xué)品密布的工廠檢查生產(chǎn)管道、在人跡罕至的礦區(qū)尋找礦脈等。

? ? 羅伯特伍德和他的同事有個(gè)特別做法,就是讓急救人員將數(shù)千回形針大小的飛行機(jī)器人分散到整個(gè)災(zāi)區(qū)。 小小的機(jī)器會(huì)偵測生命跡象的,也許是發(fā)覺到幸存者呼出的二氧化碳,或者是偵測他們體溫。雖然有一些蒼蠅可能撞碎窗口的玻璃或陷入死角,但是其他的則可以從裂縫和下塌橫梁逃出。 也許只有三個(gè)一群,但是使用自己的方式尋找幸存者,每當(dāng)找到時(shí),他們便原地等待并使用其剩余的能源向營救人員傳遞他們的調(diào)查結(jié)果。他們使用無線電轉(zhuǎn)換成低窄帶頻,接著便傳遞給事先在周圍布好的接收網(wǎng)。所以即使99%的機(jī)器蠅本身找不到了,搜索任務(wù)仍是成功的。

? ? 設(shè)計(jì)一個(gè)昆蟲機(jī)器人比做一個(gè)飛機(jī)模型可要復(fù)雜的多,不過,由于空氣動(dòng)力學(xué)的原因,昆蟲的模型也不一樣。在1999年,邁克爾迪金森(Michael Dickinson,加利福尼亞大學(xué)伯克利分校的一名生物學(xué)家,現(xiàn)于加州理工學(xué)院)以一個(gè)25厘米大小的仿蒼蠅翅膀,通過為其浸沒礦物油來模擬空氣粘度的實(shí)驗(yàn),首次證實(shí)了在不同模式的氣流中昆蟲飛行的基本空氣學(xué)原理。結(jié)果表明,昆蟲是使用三種不同的翼運(yùn)動(dòng)來創(chuàng)造并控制空氣旋渦需要產(chǎn)生上升力。

? ? 利用邁克爾迪金森的模式分析結(jié)果,羅伯特伍德和其他人在Fearing的實(shí)驗(yàn)室里開始模仿制作昆蟲那令人難以置信的翅膀運(yùn)動(dòng)。其中一部分挑戰(zhàn)來自于許多有助于蒼蠅飛行的系統(tǒng),包括眼睛(特別是協(xié)調(diào)其感知運(yùn)動(dòng))和能夠產(chǎn)生非定常空氣動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)機(jī)翼的強(qiáng)大有力的肌肉。許多昆蟲通過調(diào)整自身雙翼的振幅,飛行角度和腹部的收縮來控制他們的翅膀。蒼蠅更是具有叫作衡棒的(Haltere)特殊感知器官,在飛行時(shí)能夠感知身體的旋轉(zhuǎn)。這個(gè)特性是它能夠在空中盤旋,飛上飛下,附著墻壁甚至天花板的關(guān)鍵所在。

? ? 蒼蠅以其驚人的機(jī)動(dòng)性和通過復(fù)雜的往往超過100赫茲的三維軌跡頻率移動(dòng)其翅膀。上沖和下沖模式在其盤旋時(shí)幾乎是對(duì)稱的,但是在起飛或者前行時(shí)卻是及其不對(duì)稱的。蒼蠅通過使用間接的飛行肌肉來產(chǎn)生巨大的振幅和高頻的振翅。這樣說是因?yàn)樗麄兏淖兤洳糠中靥牛皇歉淖冏陨淼某岚颉T谏n蠅的身體上產(chǎn)生共振機(jī)制。較小的肌肉則直接連接到翅膀神經(jīng)上以便協(xié)調(diào)翅膀的運(yùn)動(dòng)。

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?? 由于體型小,蒼蠅周圍氣流的粘性比鳥類或者機(jī)翼固定的飛機(jī)更大。對(duì)昆蟲來說飛行就像是踩水一樣。蒼蠅翅膀運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力可以在千分之一秒內(nèi)改變激烈程度。相反,傳統(tǒng)的機(jī)翼卻受制于平穩(wěn)的氣體流動(dòng)。正是因?yàn)檫@個(gè)差異,預(yù)測飛機(jī)性能的分析工具對(duì)于動(dòng)態(tài)飛行昆蟲效果甚微,這也使得羅伯特伍德和他的同事的工作愈發(fā)的困難重重。


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