戴着护目镜的鹦鹉，真的好萌啊！——等等，你们要干啥？

放开那只鸟~~...

护目镜系牢，下颏带扣紧。环境条件平稳，激光就绪；空气中充满了微小的气溶胶颗粒，即使是极轻微的扰动，也会让它们分散形成轨迹。万事俱备，只等命令。




帅气的太平洋鹦哥带着护目镜飞行。图片来源： Lentink Lab

这就是一只名叫奥比（Obi）的太平洋鹦哥（Forpus coelestis）的日常。

研究生埃里克·古铁雷斯（Eric Gutierrez）与斯坦福大学的机械工程师大卫·伦廷克（David Lentink）一起训练了这个小家伙——它属于鹦鹉中体型第二小的物种——以精确测量其在飞行中产生的涡流。他们的研究结果上周发表《生物灵感和仿生学》期刊（Bioinspiration and Biomimetics）上，该结果帮助解释了动物如何在飞行中产生足够的升力，对飞行机器人和无人机的设计也可能具有指导意义。

“我们的研究目的是对文献中常用的几种基于飞行尾迹来计算鸟类或者其他飞行动物产生的升力的模型进行比较。” 研究的共同作者、伦廷克课题组的研究生戴安娜·秦（Diana Chin）说。“我们发现我们所测试的三种模型都非常不准确，因为它们所做的假设并不一定正确。”


戴安娜和她的实验“助手”——太平洋鹦哥。图片来源： Kurt Hickman

科学家们建立这些模型来分析会飞的动物所产生的气流，并依靠它们来弄清楚动物如何在飞行中支撑自身的体重。这些模型的计算结果常常会被仿生飞行机器人和无人机的研究所参考。仿生机器人正是伦廷克的专长——他的学生们制造出了第一台能够像昆虫一样垂直起降的拍翅式机器人以及一台翅膀能在俯冲及滑翔过程中变形的雨燕型机器人。

鸟戴护目镜，因为它要飞过激光


这项研究的第一作者古铁雷斯之前也是伦廷克课题组研究生。他利用给人使用的激光护目镜镜片、3D打印的镜框以及医用胶带给为太平洋鹦哥制作了符合它尺寸的护目镜。护目镜的一侧还装有反光标记，让研究者们能够追踪小鸟的速度。之后，他训练奥比戴着护目镜在栖木间飞行。


实验装置示意图。绿色部分为激光层，小鸟穿过激光层时，其中的气溶胶微粒的运动轨迹会被记录下来。

经过训练后，这只小鸟飞过了一片照亮无毒气溶胶颗粒的激光层。当它飞过这片充满颗粒的激光层时，它翅膀的运动搅动了颗粒，由飞行产生的涡旋详细记录下来。

在奥比的翅尖下打旋的那些颗粒，形成了迄今最清晰的飞行动物尾迹图像。过去的测量常在动物翅膀扑棱几次之后才进行，并预测由动物产生的涡流会像飞机的航迹云一样，相对稳定一段时间后才消散。但这项研究的测量结果揭示，鸟类产生的端部涡旋会戏剧性地突然解体。



在太平洋鹦哥飞行过程中搅动气溶胶颗粒产生的涡旋。图片来源：Lentink Lab

“飞行器产生的涡旋在其之后很远——比如一千米开外——才会发生解体，而鸟类的涡旋解体则发生在非常贴近鸟身的位置，在扑棱翅膀两到三次之内就会发生，解体也剧烈得多。”论文的主要作者伦廷克说。

当前流行的三种理论模型都并不准确

那些基于不准确的动物尾迹所建立的模型是否还有效，便成为了问题所在。

研究团队将三种主流模型应用于他们实际记录的测量结果，由此对奥比每一次扑棱翅膀所产生的升力大小都做出三个估算。然后他们再将三个计算出的结果与之前一项研究中测量出的实际升力大小进行了对比——在那项研究中，研究者采用的是伦廷克课题组发明的灵敏仪器。（伦廷克说，由于这个空气动力学测力平台灵敏度太高，有次在测试原型机时只是在里面充爆了个气球就差点坏掉了。）

他们发现，三种模型都在不同程度上没能准确预测太平洋鹦哥飞行时产生的实际升力。

需要新的模型

这项研究突出了要基于目前的动物飞行学知识研发机器人有多困难。三种模型之间的差异，加上之前的研究中所采用的动物的多样性（包括其他的鸟类、蝙蝠以及昆虫），使得文献间的相互对照极其困难。现在可供选择的模型表现已成问题，一种全新的模型或许才是答案。



“许多人会为了优化机器翼的设计而查阅动物飞行的相关文献。”伦廷克说。“现在，我们证明了人们使用的公式并不如他们所期待的那么可靠。为了真正给设计提供更加可靠的结果，我们需要新的研究和新的方法。”

伦廷克认为他的课题组正在研究的一种新技术——一种可以对力进行直接测量的技术——能与详尽的气流测量数据结合，从而能对动物飞行中的空气动力学现象进行更好的分析与建模。

一个AI

比起空气动力学现象，如何给鸟成功戴上护目镜而不被啄死/挠死可能是铲屎官更关注的话题。

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