人們通過(guò)模仿鳥(niǎo)類(lèi)的生理結(jié)構(gòu)制造出了各式各樣的飛行器（圖片來(lái)源：pixabay）

　　盡管經(jīng)歷過(guò)一次又一次的失敗，但最終人們還是在科學(xué)與技術(shù)的幫助下，實(shí)現(xiàn)了在天空中自由飛翔的夢(mèng)想。近百年以來(lái)，飛機(jī)設(shè)計(jì)與制造的工業(yè)水平在不斷提升，工程師們也一直致力于發(fā)展出更快、更輕盈的飛行器。

　　過(guò)去，人們通過(guò)仿造鳥(niǎo)類(lèi)的生理結(jié)構(gòu)，制造出了各式各樣的飛行器，包括發(fā)明了飛機(jī)。飛機(jī)擁有兩側(cè)機(jī)翼，是用來(lái)產(chǎn)生升力的主要結(jié)構(gòu)。就像早期飛行器是對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)翅膀結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)易模仿一樣，對(duì)于飛行器的研制一直都離不開(kāi)仿生學(xué)。如果仔細(xì)觀察鳥(niǎo)類(lèi)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們?cè)诼L(zhǎng)的演化過(guò)程中，翅膀末端擁有了極度纖薄的羽毛。現(xiàn)在，研究者也試圖模仿這些精致的羽毛結(jié)構(gòu)，尋找出性能最佳的機(jī)翼設(shè)計(jì)。

　　得益于技術(shù)的高速發(fā)展，今天的研究人員已經(jīng)能夠制造出和鳥(niǎo)類(lèi)羽毛薄度近乎一致的機(jī)翼末端。根據(jù)流體力學(xué)的原理，如果機(jī)翼形態(tài)不合適，其前后翼產(chǎn)生的渦流必然會(huì)相互疊加，影響機(jī)翼性能。因此如果是在過(guò)去，進(jìn)行這些工程測(cè)試可能會(huì)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但是現(xiàn)在，借助計(jì)算機(jī)模擬和電腦成像技術(shù)，研究人員很快就能夠選定用于測(cè)試的理想機(jī)翼，避免不必要的浪費(fèi)。

3D打印技術(shù)在今天的工程學(xué)領(lǐng)域研究中應(yīng)用廣泛（圖片來(lái)源：pixabay）

　　在《皇家學(xué)會(huì)會(huì)刊A》的一篇研究中，來(lái)自紐約大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了一種性能突出的機(jī)翼。研究人員將這種機(jī)翼稱(chēng)之為“淚滴形”機(jī)翼。如果從側(cè)面進(jìn)行觀察，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)，淚滴形機(jī)翼?yè)碛幸环N非對(duì)稱(chēng)的前后比例。它的前端如同一個(gè)圓面，而后端則是細(xì)長(zhǎng)的“尾巴”。正如鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀一樣，淚滴形機(jī)翼在最末的部分也是一層“最薄的羽毛”。不過(guò)奇妙的是，這種機(jī)翼看起來(lái)就像是一個(gè)“淚滴”，或者說(shuō)更像是“魚(yú)鰭”。這種“魚(yú)鰭”形態(tài)讓淚滴形機(jī)翼無(wú)論是在向前推進(jìn)或是在水面游動(dòng)方面，都要比傳統(tǒng)的機(jī)翼更加強(qiáng)大。

　　最初，運(yùn)用成熟的3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)先后制作了10種各不相同的機(jī)翼。緊接著在實(shí)驗(yàn)室，研究人員將各種機(jī)翼分組，分別進(jìn)行撲翼測(cè)試和水中模擬測(cè)試。在整個(gè)過(guò)程中，測(cè)試數(shù)據(jù)全部都會(huì)傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步的演算。經(jīng)過(guò)事先設(shè)計(jì)的算法模擬，研究人員得到了8種計(jì)算機(jī)認(rèn)為更加理想的機(jī)翼形態(tài)。于是，同樣經(jīng)過(guò)3D打印，這8種新型機(jī)翼也投入到與之前相同的測(cè)試之中。如此不斷迭代，在第14輪測(cè)試后，研究人員發(fā)現(xiàn)，其中有一種機(jī)翼形態(tài)一直存在。而從第11輪測(cè)試開(kāi)始，這個(gè)機(jī)翼形態(tài)就一直保持著極佳的性能。研究人員因此得到了這個(gè)淚滴形機(jī)翼。不過(guò)當(dāng)研究人員繼續(xù)進(jìn)行迭代，最終就只是得出當(dāng)前技術(shù)所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的一些超薄型機(jī)翼。

性能更高的機(jī)翼似乎會(huì)更加接近魚(yú)類(lèi)的某些特征（圖片來(lái)源：pixabay）

　　這項(xiàng)研究不僅給出了一種極致的機(jī)翼形態(tài)，它在研究方法上也給后來(lái)者諸多啟示。研究運(yùn)用了模擬成像、3D打印與算法學(xué)習(xí)技術(shù)，既節(jié)省了打造機(jī)翼的時(shí)間，又能高效率地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中流體力學(xué)理論與實(shí)際測(cè)試的結(jié)果互為補(bǔ)充，形成一個(gè)不斷迭代、生成最佳結(jié)果的流程。

　　從仿生學(xué)的角度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果完美地印證了鳥(niǎo)類(lèi)雙翼結(jié)構(gòu)的精妙之處。今天人們依然可以從生物演化的規(guī)律上找到可以加以利用和模仿的形態(tài)特征。同時(shí)，這個(gè)結(jié)果似乎也在暗示，性能更高的機(jī)翼會(huì)更加接近于魚(yú)類(lèi)的某些特征。當(dāng)然，這其中的關(guān)系與緣由還有待今后進(jìn)一步的研究。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號(hào)，在對(duì)話(huà)框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營(yíng)】，了解最新科普研學(xué)營(yíng)
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書(shū)籍】，了解最新科普書(shū)籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥(niǎo)知識(shí)】，學(xué)習(xí)觀鳥(niǎo)相關(guān)科普知識(shí)

?