工程師們在哥斯達黎加研究徘徊的蝙蝠和蜂鳥

在哥斯達黎加拉斯克魯塞斯的每個日出，River Ingersoll的野外隊伍都會徒步進入?yún)擦?，對幾乎看不見的網(wǎng)絡(luò)進行最后的修整。Ingersoll是斯坦福大學(xué)機械工程助理教授David Lentink實驗室的一名研究生，他需要這些精致的網(wǎng)捕捉，研究和釋放該地區(qū)豐富的蜂鳥和蝙蝠 - 這是僅有的兩種能夠盤旋到位的脊椎動物。

英格索爾說：“我們真的對翱翔飛行的進化感興趣。” “花蜜蝙蝠從像蜂鳥這樣的花朵中飲用，所以我們想知道這兩種不同類群之間是否有任何相似之處或不同之處。”

英格索爾的網(wǎng)絡(luò)工作，他在實地研究期間最終檢查了100多只蜂鳥和蝙蝠，覆蓋了17只蜂鳥和3種蝙蝠，其結(jié)果發(fā)表在“ 科學(xué)進步”雜志上。

通過高速攝像機鏡頭和空氣動力測量的結(jié)合，他和他的研究人員發(fā)現(xiàn)蜂鳥和蝙蝠以不同的方式盤旋。然而他們還發(fā)現(xiàn)，花蜜蝙蝠的徘徊與蜂鳥徘徊有一些相似之處 - 果蝠不會分享。這表明，與其他蝙蝠相比，為了飲用花蜜，他們進化出了一種不同的懸停方法。

除了更多地了解蝙蝠和蜂鳥之外，Lentink和其他人可以將他們學(xué)到的知識用于工程問題，例如設(shè)計飛行機器人。工程師已經(jīng)創(chuàng)造了受蜂鳥和蝙蝠啟發(fā)的機器人，但還不知道這些機器人的哪些自然對應(yīng)物最有效地徘徊。

看著每一根羽毛

很容易想象一只飛行動物如何通過向下拍打來支撐自己，但為了避免上下夸張的晃動，懸停的動物也必須保持這種支撐同時向上拍打。蜂鳥和蝙蝠通過在上行程中向后扭轉(zhuǎn)翅膀來實現(xiàn)這一壯舉，不斷向下推動空氣以使它們保持穩(wěn)定高空。

“如果你看一下脊椎動物，有兩種可以持續(xù)地盤旋，”倫廷克說。“那些是蜂鳥和花蜜蝙蝠。你會發(fā)現(xiàn)它們都像哥斯達黎加一樣在新熱帶中找到。”

為了研究這些科目，英格索爾與斯坦福生態(tài)學(xué)家在拉斯克魯塞斯開展的長期鳥類綁扎項目合作。他們從他們的項目中借用鳥類和蝙蝠，將每只動物放置在一個飛行室中，該室配備了由Lentink實驗室開發(fā)的室內(nèi)設(shè)備頂部和底部的空氣動力傳感器，以每秒10,000次測量垂直力的極小變化。這些板非常敏感，它們捕獲了每只扭曲和顫動的蜂鳥產(chǎn)生的垂直力，重量只有2.4克。

通過將這些力測量與以每秒2000幀記錄的多個高速攝像機同步，研究人員可以隔離他們的主體飛行的任何時刻，看看他們產(chǎn)生的升力與他們的翅膀的形狀有關(guān)。

“我坐著等待蜂鳥喂花。一旦喂食，我會觸發(fā)相機和力量測量，我們會得到四秒鐘的蜂鳥拍打花朵的鏡頭，”英格索爾說。 。

在飛行室短暫停留后，英格索爾將鳥類和蝙蝠送回到被捕的地方并將其釋放。整個過程需要一到三個小時。

懸停的不同方式

研究人員發(fā)現(xiàn)，在這些飛行過程中，蝙蝠和蜂鳥都相對于它們的重量產(chǎn)生了相似的能量，但蜂鳥，果蝠和花蜜蝙蝠都以非常不同的方式徘徊。蜂鳥以比蝙蝠更具空氣動力學(xué)效率的方式徘徊 - 蜂鳥相對于阻力產(chǎn)生更多升力。在比較機翼形狀時，研究人員發(fā)現(xiàn)這種效率可能是因為蜂鳥更容易倒轉(zhuǎn)它們的翅膀。盡管蝙蝠掙扎著翻過翅膀，但由于它們有更大的翅膀和更大的擊球力，它們能夠施加相當(dāng)多的能量。

研究人員驚訝地發(fā)現(xiàn)，花蜜蝙蝠(像蜂鳥一樣躲到花朵上)在機翼升起時比果蝠產(chǎn)生更大的向上力。觀察它們的翅膀形狀，研究人員發(fā)現(xiàn)，花蜜蝙蝠可以比上行程中的果蝠更加扭曲翅膀。因此，花蜜蝙蝠的徘徊形式就像水果蝙蝠和蜂鳥徘徊的混合物。

研究人員計劃將這些發(fā)現(xiàn)作為他們拍打機器人和無人機的工作的一部分，但Lentink也看到了在實驗室之外開展更多工作的潛力。

“當(dāng)里弗斯提議在哥斯達黎加進行這項研究時，實地研究是我從未希望過的?，F(xiàn)在，他真的給了我靈感，”倫廷克說。“大約有10,000種鳥類，其中大部分從未被研究過。這聽起來像是一項研究太大，但這就是我的夢想。”