机械翼揭示蝙蝠飞行的秘密

就像解剖可以揭示动物结构和形态的重要信息一样，试图通过机器人技术来重现和模仿动物的某些方面也可以做到。

这就是布朗大学研究人员的方法，他们开发了一个机械翼来模仿蝙蝠的飞行。他们正在利用这个机械翼来测量蝙蝠飞行的空气动力学，其结果有一天可能会帮助我们制造出更好的飞行器。

翅膀的复杂性

蝙蝠的翅膀与飞行的昆虫和鸟类截然不同，它们的翅膀结构也因此更加复杂。蝙蝠的翅膀使它们的拥有者能够长途通勤和迁徙，携带重物，快速飞行，并在树木之间等狭窄的空间中飞行。

它们的翅膀有高达 25 个主动控制的关节和 34 个自由度。相比之下，据说人类的手臂有 7 个自由度。蝙蝠在飞行中使用它们的肘部和手腕，并结合一个配备大量肌肉的肩膀进行三维旋转。它们还利用后肢、后脚和手指来控制翅膀的整体形状和飞行角度。

蝙蝠的翼膜能够随着翅膀折叠的变化而伸展和回缩，翼膜的皮肤从蝙蝠的颈部一直附着到脚踝。在它们特化的手指之间伸展的翼膜皮肤比类似体型非飞行哺乳动物的皮肤薄得多，而且蝙蝠比大多数哺乳动物更能承受皮肤的拉伸和收缩范围。这种皮肤的灵活性使蝙蝠能够改变飞行中的运动，并像降落伞一样利用皮肤在飞行中被动地捕捉空气。

为了处理蝙蝠翅膀运动的巨大复杂性，并创建翅膀模型，研究人员选择专注于使用 25 个可能的蝙蝠翼关节中的 7 个关节组合。他们制造了一个能够像真正的蝙蝠翼一样主动折叠和展开的翅膀，但其目的是侧重于拍打翅膀对空气动力学力的影响。

犯错的重要性

制造机械蝙蝠翼需要生物学和工程学。约瑟夫·巴尔曼（Joseph Bahlman）是这项研究的首席作者，也是一名生物学博士生，他说他发现自己正在学习如何成为一名工程师。有时，在工程过程中，建造不起作用的结构比建造起作用的结构更有启发性。当我们能看到某些东西缺失时，当其中一个东西与其他不同时，它就能更清晰地说明变量是什么。

创造自然的模型就像是加速进化的过程。演化说唱歌手巴巴·布林克曼（Baba Brinkman）告诉我们，科学（和进化）是关于表现、反馈和修正。科学家们从他们的机器人那里得到了很多反馈——翅膀的骨架在肘部经常断裂，这是蝙蝠在野外必须承受的压力；研究人员通过在肘部缠绕钢丝来模仿生物关节的韧带，从而解决了这个问题。

他们确定韧带和肌肉很可能在防止自然界中肘部断裂方面发挥作用。蝙蝠融合的前臂肌肉可能有助于防止其肘部在飞行中脱臼。研究人员还努力处理翼膜的撕裂问题，这让他们认识到大多数脊椎动物皮肤与下方肌肉和骨骼之间松散结缔组织的重要性。

他们通过创建连接翼膜组织和骨架的弹性纤维中间网络来模仿这种组织，这大大减少了撕裂。这项研究的一个潜在应用是创造“微型飞行器”，即蝙蝠大小的飞机，可用于监视和研究。

然而，在更直接的层面上，它向我们展示了蝙蝠飞行惊人的复杂性的一小部分——在下面的视频中更能得到欣赏。