拍打机械翼帮助生物学家揭开蝙蝠飞行的秘密

新型 3D 打印机器人蝙蝠翼可以模拟真实蝙蝠的拍翼动作，帮助生物学家模拟哺乳动物的飞行方式，并帮助空气动力学研究人员研究新型扑翼飞机。在制造和修改机器人机翼的过程中，布朗大学的研究人员偶然发现了一些结构修复方法，这些方法可以深入了解蝙蝠身体如何进化以适应飞行。

蝙蝠翅膀的机制极为复杂，可以产生升力和推力，帮助这种飞行哺乳动物快速追捕昆虫猎物、长距离飞行，并敏捷地穿过同类的浓密云层。蝙蝠的翅膀几乎覆盖整个身体，由两根臂骨和五根手指状的手指支撑，手指上覆盖着一层弹性皮肤，可拉伸至原始尺寸的 400%。基于蝙蝠设计的小型飞机可能是高效的小型拍打无人机，但研究人员需要了解蝙蝠的工作原理。

然而，研究真实动物有点困难，布朗大学研究生、该项目负责人约瑟夫·巴尔曼 (Joseph Bahlman) 解释道。“我们不能要求蝙蝠以 8 赫兹的频率扇动翅膀，然后将其提高到 9 赫兹，这样我们才能看到有什么不同，”巴尔曼说。“它们实际上并不是这样合作的。”

研究人员建造了“机器人”蝙蝠翼，图片来自布朗大学的 Vimeo。

相反，巴尔曼和他的团队打印了塑料蝙蝠骨骼，并在其上拉伸了一层硅弹性体“翼膜”。骨骼与电缆相连，电缆充当肌腱，由内置伺服电机驱动。该团队可以将机翼放入风洞并测试一系列参数，如机翼拍打频率、相关能量需求、升力和阻力等。它是以小狗面果蝠的翅膀为基础的。

扑翼飞机（和动物）通过向下拍打翅膀和将翅膀稍微向后折叠来产生升力；想象一下将肩膀向前和向后弯曲，或旋转手腕。部分下冲程升力被上冲程产生的阻力抵消。为了避免这种情况，鸟类和蝙蝠在上冲程时会将翅膀稍微折叠起来。通过使用机器人，巴尔曼和同事发现，翅膀折叠可将净升力增加近 50%——这对了解扑翼飞行的工作原理非常有用。

但这项研究可能更有趣，因为它对蝙蝠生物学有深入的了解。例如，在翅膀测试期间，翅膀“肘部”上的凹槽关节不断断裂。巴尔曼最终用一些钢缆将其包裹起来以保持其完好无损，就像韧带将真实动物的关节连接在一起一样。研究人员表示，该团队还意识到，真正的蝙蝠在肘关节处有一大块肌肉，这可能是为了防止肘部弯曲到断裂点而进化的。

随后在进一步的测试中，薄膜的前缘开始撕裂。巴尔曼也使用弹性线加固了薄膜。根据布朗大学的新闻稿，修复后的薄膜最终类似于加固真实蝙蝠翅膀的肌腱和肌肉。

这凸显了这些翅膀结构的重要性——并有助于解释为什么蝙蝠会受到一种名为Geomyces destructans的致残真菌的严重伤害，这种真菌覆盖在蝙蝠的脸部和翅膀上。这种真菌会引起一种名为白鼻综合症的致命疾病，其特征性症状之一是严重感染和受损的翼膜，使蝙蝠无法飞行。

布朗表示，机器人蝙蝠翼将有助于解答有关蝙蝠飞行的更多问题，尤其是在研究小组开始调整其成分之后。研究人员希望改变一些材料来研究骨骼的柔韧性、重量和其他特征。与此同时，他们的初步研究发表在《生物灵感与仿生学》杂志上。