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高速录像机抓拍苍蝇揭示其快速改变方向原因

2019-02-03 14:29:49

高速录像机抓拍苍蝇 揭示其快速改变方向原因 - 行业动态 - 中国养殖

果蝇在空中通过“耸肩”来改变方向 据国外媒体报道,世界物理学学术期刊——《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)近道的一项研究表明,通过对高速录像机捕捉的苍蝇飞行状态分析得出,苍蝇在空中的“快速自由体操运动”是通过两个翅膀的相互协调作用实现的。苍蝇翅膀的协调作用原理与发条玩具一样,这使其可以在空中快速实现自由旋转和改变方向。据悉,这一发现将有助于未来制造出更好的飞行机器人。 据悉,在此之前的研究表明,果蝇翅膀振动的频率是4毫秒每次,这远比它们的神经细胞变成兴奋状态更快,并且果蝇的翅膀每振动18次就能改变方向120度。但对苍蝇如何实现快速改变方向的研究还比较缺乏,而英国康奈尔大学的柯亨(Cohen)、美国布朗大学的阿提拉·伯格(AttilaBergou)进行的这次实验揭示了苍蝇快速改变方向的原因,刚好填补了这个空白。 这篇报道的共同作者柯亨对“苍蝇翅膀的振动有多少是由自己控制,以及多少是由空气动力所控制”进行了研究。在此次实验中,柯亨及其同事伯格设置了三个高速录像机,并把摄像头对准了一个装有大约10只苍蝇的箱子正中央。录像显示,其中一只苍蝇触碰到摄像头,导致其以8000帧/秒的帧速率开始旋转起来,同时一簇LED光束在箱子内部制造出的条纹图案诱使苍蝇作出了U型转向。 据报道,作为康奈尔大学研究生的此次实验的另一名合作者伯格表示:“苍蝇看到了这些图案,被迷昏之后就改变了飞行方向。这些苍蝇进行了反复多次的转向,因而实验结果比较可靠。”研究小组发现,当苍蝇改变飞行方向时,一个翅膀的倾斜幅度比另一个大,这类似于划船者在一支桨上用的力大于另一支桨以使船改变方向。由于空气动力的缘故,苍蝇只需要使其两个翅膀的倾斜幅度之差达到9度,就足以使其改变飞行方向。柯亨表示:“这些昆虫在空中飞行就像在“游泳”,它们运用空气动力的原理以改变到它们想要的任何方向。”根据计算机对飞行动力学模拟的分析表明,苍蝇两个翅膀的协调作用就像发条玩具和老式时钟的扭力弹簧一样。当苍蝇准备改变飞行方向时,它需要改变翅膀的倾斜度。而在所有的飞行转向中苍蝇要做的仅仅是抽动控制翅膀的肌肉,至于其改变翅膀倾斜度需要多大的转矩(指驱动轴的旋转力,转矩越大加速度或时速越高)都由其自然系统来实现了。 美国查伯山(ChapelHill)北卡罗莱纳大学的赫瑞克(TyHedrick)说:“很令人惊奇,他们竟然能把实验控制得如此好,因为要把这些测量方法的不确定性控制到足够低的程度,以保证能观察到想看到的非常困难。”据悉,物理学家们还计划对其他飞行昆虫如象蜂和蜻蜓,进行比较研究。他们希望研究结果能对设计出更具操纵性的飞行机器人提供更多帮助。要运用昆虫-空气动力学原理,制造出更加高效和更小的机器人并不是件容易的事情,因此还需要科学家们付出更多努力。

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