研究人员通过一种新颖的建模方法揭示了小鸟的力学原理，从而对蜂鸟如何产生翅膀运动获得了新的见解，这可能会导致飞行机器人的设计改进。
蜂鸟在自然界中占有独特的地位：它们像昆虫一样飞行，但拥有鸟类的肌肉骨骼系统。据宾夕法尼亚州立大学机械工程系Bo Cheng教授表示，蜂鸟具有极高的空中灵活性和飞行形式，这就是为什么许多无人机和其他飞行器被设计成模仿蜂鸟的运动。使用一种新颖的建模方法，程和他的研究团队对蜂鸟如何产生翅膀运动获得了新的见解，这可能会导致飞行机器人的设计改进。
他们的研究结果本周发表在《英国皇家学会学报B》上。
第一作者、宾夕法尼亚州立大学机械工程研究生苏亚斯·阿格拉瓦尔（Suyash Agrawal）说：“我们基本上对翅膀肌肉骨骼系统的内部工作进行了逆向工程设计，即蜂鸟的肌肉和骨骼是如何拍打翅膀的。传统的方法主要集中于测量鸟类或昆虫在自然飞行或模拟飞行条件的人工环境中的活动。但大多数昆虫，特别是鸟类中的蜂鸟，都很小。我们从这些测量中获得的数据很有限。”
研究人员使用肌肉解剖学文献、计算流体动力学模拟数据和使用显微CT和X射线方法捕获的翅膀骨骼运动信息来为他们的模型提供信息。他们还使用了一种基于进化策略的优化算法，称为遗传算法，来校准模型的参数。根据研究人员的说法，他们的方法是第一次将这些不同的部分集成到生物飞行器中。
“我们可以模拟蜂鸟翅膀的整个重建运动，然后模拟扑翼产生的所有气流和力，包括作用在翅膀上的所有压力，”程教授说。“从这一点上，我们能够反向计算出机翼襟翼所需的总肌肉扭矩。我们使用该扭矩来校准我们的模型。”
通过这个模型，研究人员发现了以前未知的蜂鸟翅膀驱动原理。
据程教授介绍，第一个发现是蜂鸟的主要肌肉，也就是它们的飞行引擎，并不是简单地前后摆动翅膀，而是向三个方向拉动翅膀：上下、前后和翅膀的扭转或俯仰。研究人员还发现，蜂鸟使用多块较小的肌肉在上下方向和俯仰方向上收紧肩关节。
“这就像当我们进行健身训练时，一位教练说要收紧你的核心，让你变得更敏捷，”程说。“我们发现蜂鸟正在使用类似的机制。它们在俯仰和上下方向上收紧翅膀，但在前后方向上保持翅膀松弛，因此它们的翅膀似乎只有在它们的动力肌肉或飞行引擎实际上在所有三个方向上拉动翅膀时才会前后摆动。这样一来，在上下运动以及扭转运动中翅膀就具有很好的灵活性。”
尽管程强调，优化模型的结果是需要验证的预测，但他表示，这对飞行器的技术发展有影响。
他说：“尽管目前还没有完全模拟蜂鸟飞行的技术，但我们的工作为明智地模拟蜂鸟提供了基本原则，有望为下一代灵活的空中系统提供帮助。”