据美国《连线》杂志网站4月11日(北京时间)报道，美国康奈尔大学研究人员发现，果蝇对飞行的控制其实并非人们之前想象的那么复杂，要实现空中悬浮、急速转向等高难度飞行动作，果蝇仅需在保证肌肉机械运动的同时改变翅膀倾斜的角度即可。研究人员称，该研究将有助于开发出体积更小、机动性更好的微型飞行器。
果蝇在飞行上有着过人的天赋：它的翅膀每4毫秒就能拍动一次，80毫秒就能实现120度的转向，这甚至超过了其神经元传递神经信号的速度。对此人们一直以来都困惑不解。
实验中，研究人员设计了一个透明的方形盒子，在周围架设了3台能以每秒8000帧的速度拍摄的高速摄影机。盒子内放置了10只果蝇和一个能促使果蝇在飞行中不断转向的LED光源。一旦有果蝇飞过盒子中间的探测器，摄像机就会自动开启以记录果蝇的飞行状态。
研究人员在对视频进行分析后发现，就像有两只船桨的船在水中转弯一样，果蝇也是通过两个翅膀不同的倾斜幅度来实现转向的。只要翅膀间有9度差异就足以让果蝇轻松转向。
在随后的计算机模拟实验和空气动力学实验中，研究人员发现位于果蝇翅膀与身体间起连接作用的关节就如同发条玩具上的扭转弹簧。飞行时，果蝇的神经仅需要控制翅膀的倾斜方向，其他所有的工作都由肌肉的机械运动完成。
负责该研究的康奈尔大学伊泰科恩表示，这些昆虫在飞行的时候几乎不需要任何思考，它们有一个自然的系统，只要对翅膀的扭矩稍加调整就能实现目的。这项研究成果刊登在最新一期的《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志上。
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《物理评论快报》发表论文摘要（英文）
Phys. Rev. Lett. 104, 148101 (2010) [4 pages]
Fruit Flies Modulate Passive Wing Pitching to Generate In-Flight Turns
Attila J. Bergou1,*, Leif Ristroph1, John Guckenheimer2, Itai Cohen1, and Z. Jane Wang3,
1Department of Physics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA
2Department of Mathematics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA
3Theoretical and Applied Mechanics, Cornell University, Ithaca, New York 14853, USA
Received 4 October 2009; published 5 April 2010
Flying insects execute aerial maneuvers through subtle manipulations of their wing motions. Here, we measure the free-flight kinematics of fruit flies and determine how they modulate their wing pitching to induce sharp turns. By analyzing the torques these insects exert to pitch their wings, we infer that the wing hinge acts as a torsional spring that passively resists the wing’s tendency to flip in response to aerodynamic and inertial forces. To turn, the insects asymmetrically change the spring rest angles to generate asymmetric rowing motions of their wings. Thus, insects can generate these maneuvers using only a slight active actuation that biases their wing motion.
DOI:
10.1103/PhysRevLett.104.148101
PACS:
87.19.lu, 47.85.Gj, 87.85.G-
*ajb78@cornell.edu
zw24@cornell.edu
