Полет Колибри может дать представление о биомимикрии в летательных аппаратах

Механика маленькой птицы раскрыта с помощью нового метода моделирования

Колибри занимают уникальное место в природе: они летают как насекомые, но имеют опорно-двигательный аппарат птиц. По словам Бо Ченга, адъюнкт-профессора по машиностроению Кеннета К. и Оливии Дж. Куо в начале карьеры в Пенсильванском государственном университете, колибри обладают чрезвычайной маневренностью в воздухе и формой полета, поэтому многие дроны и другие летательные аппараты предназначены для имитации движения колибри. Используя новый метод моделирования, Ченг и его команда исследователей получили новое представление о том, как колибри производят движение крыльев, что может привести к усовершенствованию конструкции летающих роботов.

"Мы, по сути, реконструировали внутреннюю работу опорно-двигательного аппарата крыльев - как мышцы и скелет работают у колибри, чтобы махать крыльями", - сказал первый автор и аспирант Penn State mechanical engineering Суяш Агравал. "Традиционные методы в основном были сосредоточены на измерении активности птицы или насекомого, когда они находятся в естественном полете или в искусственной среде, где имитируются условия, подобные полету. Но большинство насекомых и, в частности, колибри среди птиц, очень маленькие. Данные, которые мы можем получить в результате этих измерений, ограничены ".

Исследователи использовали литературу по анатомии мышц, данные моделирования вычислительной гидродинамики и информацию о движении скелета крыла, полученную с помощью микро-компьютерной томографии и рентгеновских методов, для обоснования своей модели. Они также использовали алгоритм оптимизации, основанный на эволюционных стратегиях, известный как генетический алгоритм, для калибровки параметров модели. По словам исследователей, их подход является первым, который объединяет эти разрозненные части для биологических летательных аппаратов.

"Мы можем смоделировать все восстановленное движение крыла колибри, а затем смоделировать все потоки и силы, создаваемые машущим крылом, включая все давление, действующее на крыло", - сказал Ченг. "Исходя из этого, мы можем рассчитать требуемый общий мышечный крутящий момент, необходимый для взмаха крыла. И этот крутящий момент мы используем для калибровки нашей модели ".

С помощью этой модели исследователи раскрыли ранее неизвестные принципы управления крыльями колибри.

Первое открытие, по словам Ченга, заключалось в том, что первичные мышцы колибри, то есть их летательные двигатели, не просто машут крыльями в простом движении взад-вперед, но вместо этого тянут крылья в трех направлениях: вверх и вниз, взад-вперед и скручивание - или качка - крыльев. Крыло. Исследователи также обнаружили, что колибри напрягают свои плечевые суставы как в направлении вверх-вниз, так и в направлении наклона, используя множество меньших мышц.

"Это похоже на то, когда мы занимаемся фитнесом, а тренер говорит напрячь мышцы живота, чтобы быть более гибкими", - сказал Ченг. "Мы обнаружили, что колибри используют аналогичный механизм. Они напрягают свои крылья в направлениях тангажа и вверх-вниз, но держат крыло свободно в направлении взад-вперед, поэтому кажется, что их крылья машут взад-вперед только в то время, как их силовые мышцы или их летные двигатели на самом деле тянут крылья во всех трех направлениях. Таким образом, крылья обладают очень хорошей маневренностью при движении вверх и вниз, а также при повороте ".

Хотя Ченг подчеркнул, что результаты оптимизированной модели являются прогнозами, которые нуждаются в проверке, он сказал, что это имеет значение для технологического развития летательных аппаратов.

"Несмотря на то, что технологии, позволяющей полностью имитировать полет колибри, еще не существует, наша работа обеспечивает основные принципы информированной имитации колибри, которые, как мы надеемся, пригодятся в следующем поколении гибких воздушных систем", - сказал он.

Источник.