研究人员利用蚊子夜间飞行原理 开发出具有避撞感官系统的四旋翼机

　　5月12日消息，科学家利用指导蚊子夜间飞行的原理，开发了一种配备了优雅的避免碰撞感官系统的四旋翼机。他们的研究发表在《科学》杂志上，展示了蚊子如何通过感知其拍打翅膀产生的气流变化来避开黑暗中的障碍。

蚊子通过感知其拍打翅膀产生的气流变化来避开黑暗中的障碍

　　这个国际合作研究小组包括来自利兹大学的西蒙·沃克博士，由皇家兽医学院（RVC）的理查德·邦弗雷（Richard Bomphrey）教授领导，利用对雄性库蚊（Culex quinquefasciatus）蚊子的感觉机制的理解来开发生物灵感的自动四旋翼机防撞系统，该系统可实时对空气动力学信息进行编码。该研究还与千叶大学的中田俊幸、布莱顿大学的PatrícioSim?es和Ian Russell合作。

　　夜间蚊子在黑暗中飞行，却不会撞到表面。当它们降落在人类或其他动物身上觅食时，它们会非常轻柔地做以保持隐身状态，因为被注意可能会带来灾难。由于这些夜间蚊子无法用眼睛看到它们在做什么，因此它们使用不同的感官模式——机械感应。

　　蚊子和其他飞行中的动物通过加速它们周围的空气飞行，在每个拍打的机翼下方产生快速喷射。这些射流会在障碍物（例如地面或墙壁）的存在下改变形状。

　　得益于蚊子头部触角底部的灵敏受体阵列（称为约翰斯顿氏器官），蚊子能够检测到气流模式的这些变化。研究人员将这种现象称为“空气动力学成像”：即使在黑暗中以及当它们无法通过物理接触感觉到表面时，它也可以为蚊子提供周围环境的图像。

　　该小组基于对蚊子飞行的高速记录，使用了计算流体动力学模拟，以研究地面和墙壁对人体周围气流的影响。他们发现了一种趋势：触角上的约翰斯顿（Johnston）器官很容易在低海拔情况下检测到气流变化，在高海拔情况下响应逐渐减弱，直到未达到检测阈值为止。

　　他们惊讶地发现气流模式差异最大的位置之一发生在头部上方，这意味着尽管距离地面最远，昆虫的触角仍处于最佳位置以感知这些变化。

　　飞机和直升机飞行员会熟悉一种称为“地面效应”的现象，这种现象在离地面非常近时往往会发挥作用，通常在低于两个机翼长度的高度上很明显。

　　研究人员使用他们的新数据预测了库克斯蚊子可以检测到表面的最大距离：超过20个机翼长度，这远远大于基于现有空气动力学模型的预期检测距离。

　　利兹生物医学学院的西蒙·沃克博士说：“蚊子以细长的翅膀和极高的拍打频率代表昆虫中的异常值。我们已经知道，它们在飞行过程中使用非常规的空气动力学特性，这项研究为他们的发展难题以及启发工程师使用的技术。”

　　主要作者中田俊幸博士是由生物技术和生物科学研究委员会（BBSRC）资助的，旨在研究蚊子和其他昆虫的空气动力学。他说：“有了我们的模拟结果，我对蚊子避开它们周围的表面的精确度感到惊讶。如果我们在常规空气动力学的背景下研究地面效应，则飞行中的蚊子检测到的地面距离是巨大的。”

　　团队的下一步是将空气动力学成像的概念转移到微型四旋翼机上。他们为车辆安装了由生物启发的传感器设备，该传感器设备由连接至差压传感器的一系列探头管制成。

　　通过测量四旋翼机周围的气流速度，研究人员确定了将探头放置在何处以实现最大灵敏度。当将传感器模块放置在接近表面时气流变化最大的区域时，它们与蚊子一样具有最佳性能。该设备在地面附近飞行，首先束缚墙壁，然后进行操纵，最后自动完成。

　　这个简单的模型能够检测表面并在接近地面和墙壁时能够成功避开障碍物的距离成功发出警报。与以前的地面感应四轴飞行器研究不同，该模型仅需要基本阈值，几乎不需要处理即可起作用。它轻巧，省电且可扩展。

　　理查德·邦弗瑞（Richard Bomphrey）教授说：“重要的是要了解如此大量的昆虫如何在世界各地航行。如果我们要生活在一个由飞行器和无人机完成更多工作的未来，那么从中获取灵感可能会很有用。蚊子，以使我们的机器在靠近建筑物或其他基础设施的地方操作时更安全。”没有理由停在小型飞行器上，这种表面探测能力可以扩大到直升飞机，使它们在危险，低能见度的条件下飞行时更加安全。”

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